RU2134407C1

RU2134407C1 - Photoelectric analyzer

Info

Publication number: RU2134407C1
Application number: RU96110797A
Authority: RU
Inventors: Н.С. Фролов; В.П. Панов; Е.А. Суворов
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия; Акционерное общество закрытого типа "Дельта"
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 1999-08-10

Abstract

FIELD: checking of media optical density. SUBSTANCE: photoelectric analyzer has optical radiation source, branched irregular light guide, electrically controlled optical locks represented by segments of liquid-crystal indicator, measuring cell, vessel with standard medium or its simulator, the second branched light guide, photoelectric transducer connected to narrow-band amplifier, amplitude detector, phase-sensitive detector consisting of two controlled electronic switches and two analog storage devices and recorder. Analyzer also includes former of pulses which control electric optical locks and electronic switches of phase-sensitive detector. Pulse former consists of intermediate divider, D-trigger and two OR-NOT gates. EFFECT: increased stability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области контроля оптической плотности сред, частично поглощающих или рассеивающих оптическое излучение, а также контроля величин, однозначно связанных с оптической плотностью. The invention relates to the field of monitoring the optical density of media partially absorbing or scattering optical radiation, as well as controlling values that are uniquely associated with optical density.

Оно, в частности, может быть использовано в технологическом процессе контроля содержания массовой доли белка в молоке в соответствии с ГОСТ 25179-82 "Молоко. Колориметрический метод определения белка". Известен ряд аналогичных устройств состоящих из источника оптического излучения и фотоэлектрического преобразователя, между которыми помещена прозрачная кювета с контролируемой средой, измерительного усилителя, входом подключенного к выходу фотоэлектрического преобразователя, и регистратора, подключенного к выходу усилителя /Л. П. Брусиловский, А.Я.Вайнберг "Автоматизация технологических процессов в молочной промышленности", М. "Пищевая промышленность", 1978 с. 291-294, А.С. N 859921, кл. G 01 N 33/04. 1981 г/. In particular, it can be used in the technological process of controlling the content of the mass fraction of protein in milk in accordance with GOST 25179-82 "Milk. Colorimetric method for determining protein." A number of similar devices are known consisting of an optical radiation source and a photoelectric converter, between which a transparent cuvette with a controlled medium, a measuring amplifier, an input connected to the output of the photoelectric converter, and a recorder connected to the amplifier / L output are placed. P. Brusilovsky, A.Ya. Weinberg "Automation of technological processes in the dairy industry", M. "Food industry", 1978 p. 291-294, A.S. N 859921, class G 01 N 33/04. 1981 g /.

Эти устройства имеют одноканальную измерительную систему прямого преобразования, которой присущи общие недостатки: повышенные аддитивные и мультипликативные погрешности измерения, низкая температурная стабильность, "дрейф нуля", повышенная чувствительность к изменению напряжения питания, старению элементов и воздействию внешних засветок, что требует при их эксплуатации частых калибровок (как правило, перед каждым измерением) по двум параметрам: установка нуля и коэффициент усиления. These devices have a single-channel direct conversion measurement system, which has common drawbacks: increased additive and multiplicative measurement errors, low temperature stability, zero drift, increased sensitivity to changes in supply voltage, aging of elements and exposure to external illumination, which requires frequent operation calibrations (usually before each measurement) according to two parameters: zero and gain.

Для нужд молочного животноводства и молочной промышленности в Советском Союзе до 1986 г. серийно выпускались цифровые белкомеры молока типа БМЦ-1 и БМЦ-2 /Кузнецов В.В. "Новые приборы для молочной промышленности", М., ЦНИИТЭИмясомолпром, 1984, с. 13-15:
Белкомер БМЦ-1 по ТУ 46-13-1092-83. Техническое описание и инструкция по эксплуатации;
Белкомер БМЦ-2 по ТУ 46-13-1548-85. А.с. N 957005, кл. G 01 N 1/44, 1982 г. /. Однако указанные устройства также имеют одноканальную измерительную систему прямого преобразования, хотя и содержат второй оптический канал с фотодиодным преобразователем, включенным в схему автоматической регулировки мощности источника светового излучения (свето-излучающего диода), что позволяет несколько повысить температурную стабильность прибора и снизить влияние нестабильности напряжения питания, однако не исключает необходимости частой калибровки приборов.For the needs of dairy farming and the dairy industry in the Soviet Union until 1986, digital milk protein meters of the BMTs-1 and BMTs-2 types were produced in series. Kuznetsov V.V. "New devices for the dairy industry", M., TsNIITEIimyasomolprom, 1984, p. 13-15:
BMC-1 protein meter according to TU 46-13-1092-83. Technical description and instruction manual;
BMC-2 protein meter according to TU 46-13-1548-85. A.S. N 957005, CL G 01 N 1/44, 1982 /. However, these devices also have a single-channel direct conversion measurement system, although they contain a second optical channel with a photodiode converter included in the automatic power control circuit of the light source (light-emitting diode), which allows to slightly increase the temperature stability of the device and reduce the influence of instability of the supply voltage However, it does not exclude the need for frequent instrument calibration.

Следующим аналогом устройств подобного назначения является "Цифровой оптический анализатор состава вещества" /"Приборы и система управления", N 5, 1973, с. 23-25/, в котором аналогичная техническая задача решается сложным, а главное, не радикальным способом. The next analogue of devices for this purpose is the "Digital optical analyzer of the composition of the substance" / "Devices and control system", N 5, 1973, p. 23-25 /, in which a similar technical problem is solved in a complex, and most importantly, not radical way.

В основу принципа работы данного анализатора положена идентичность законов, по которым происходит ослабление светового потока (при его прохождении через среду) и разряда конденсатора на резистор. Однако, как показано П.И. Бреслером /в книге "Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение" Л. "Энергия", 1980, с. 16/, поглощение лучистой энергии в реальных средах почти никогда не подчиняется закону Ламберта-Бера, взятому за основу метода измерений, применяемого в этом анализаторе. Это приводит к дополнительным погрешностям. The principle of operation of this analyzer is based on the identity of the laws according to which the light flux is weakened (when it passes through the medium) and the discharge of the capacitor to the resistor. However, as shown by P.I. Bresler / in the book "Optical absorption gas analyzers and their application" L. "Energy", 1980, p. 16 /, the absorption of radiant energy in real media almost never obeys the Lambert-Behr law, taken as the basis of the measurement method used in this analyzer. This leads to additional errors.

Известен также "Анализатор цветности и мутности жидкостей" /"Электрические измерения неэлектрических величин" под ред. П.В.Новицкого, Л. , "Энергия", 1975, с. 452/. Анализатор выполнен по двухканальной схеме с автоматическим уравновешиванием, содержащей источник света, систему зеркал, создающую два пучка света (оптических канала), механический модулятор (обтюратор) световых пучков, прозрачный сосуд с исследуемой жидкостью, помещаемый в первый световой пучок, "оптический клин" (компенсатор), помещаемый во второй оптический канал и перемещаемый реверсивным электроприводом. Устройство содержит фотоэлемент, подключенный к входу усилительной фазочувствительной схемы, выход которой связан с электроприводом оптического канала, и регистратор угла поворота "оптического клина". Also known is the "Analyzer of color and turbidity of liquids" / "Electrical measurements of non-electric quantities", ed. P.V. Novitsky, L., "Energy", 1975, p. 452 /. The analyzer is made according to a two-channel scheme with automatic balancing, containing a light source, a system of mirrors creating two light beams (optical channels), a mechanical modulator (obturator) of light beams, a transparent vessel with the studied liquid, placed in the first light beam, an “optical wedge” ( compensator), placed in the second optical channel and moved by a reversible electric drive. The device contains a photocell connected to the input of an amplifying phase-sensitive circuit, the output of which is connected to the optical channel’s electric drive, and a “optical wedge” angle recorder.

Преимуществом данного устройства является значительное уменьшение аддитивной и мультипликативной погрешности, а также отсутствие требований к линейности преобразователя. The advantage of this device is a significant reduction in additive and multiplicative errors, as well as the lack of linearity requirements for the converter.

Использование одного и того же источника света для создания измерительного и уравновешивающего (компенсационного) световых потоков позволяет теоретически исключить погрешность, создаваемую источником света, из общей погрешности прибора, но требует использования сложной оптической системы с применением в ней шести зеркал, каждое из которых требует тщательной юстировки, которая может сбиться от вибраций и ударов при транспортировании и эксплуатации прибора. Старение лампы накаливания (несимметрическое потемнение баллона) также может нарушить симметрию распределения световых потоков в каналах. Using the same light source to create a measuring and balancing (compensation) light flux allows one to theoretically exclude the error created by the light source from the total error of the device, but requires the use of a complex optical system using six mirrors in it, each of which requires careful adjustment , which can get away from vibrations and shocks during transportation and operation of the device. Aging of an incandescent lamp (asymmetric darkening of a cylinder) can also break the symmetry of the distribution of light fluxes in the channels.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является "Белкомер молока "Углич" типа ДБП 1195". Closest to the technical nature of the proposed device is the "Milk protein meter" Uglich "type DBP 1195".

"Паспорт, техническое описание, инструкция по эксплуатации. ДБП 1195.00.00.000. ПС 1991 г."
Данный прибор разработан в 1990 г., прошел Государственные приемочные испытания, внесен в Государственный реестр средств измерений, допущенный к выпуску в обращение в РФ, и серийно выпускается (в количестве сотен штук) Рыбинским заводом приборостроения."Passport, technical description, instruction manual. DBP 1195.00.00.000. PS 1991"
This device was developed in 1990, passed the State acceptance tests, entered into the State Register of Measuring Instruments approved for release into circulation in the Russian Federation, and is mass-produced (in the amount of hundreds of pieces) by the Rybinsk Instrument Making Plant.

Прибор ДВП 1195, содержит: источник оптического излучения, выполненный в виде двух сегментов светодиодной матрицы, подключенных к противофазным выходам генератора переменного напряжения, оптической системы формирования измерительного и компенсационного каналов, выполненной в виде световодов. The DVP 1195 device contains: an optical radiation source made in the form of two segments of an LED matrix connected to the antiphase outputs of an alternating voltage generator, an optical system for forming the measuring and compensation channels, made in the form of optical fibers.

В качестве компенсатора устройство содержит регулируемую дискретную меру оптической плотности, фотоэлектрический преобразователь, узкополосный усилитель, фазовый детектор и регистратор. As a compensator, the device contains an adjustable discrete measure of optical density, a photoelectric converter, a narrow-band amplifier, a phase detector, and a recorder.

Однако относительно высокая стоимость указанного прибора (около одного миллиона рублей, по состоянию на декабрь 1994 г.) делает его практически не доступным для приобретения сельскохозяйственными товариществами и фермерскими хозяйствами. However, the relatively high cost of this device (about one million rubles, as of December 1994) makes it practically not available for purchase by agricultural partnerships and farms.

Возможное снижение себестоимости изготовления прибора за счет упрощения конструкции прибора ДБП 1195 не дает желаемого результата и приводит к ухудшению метрологических характеристик устройства. Кроме того, стабильность прибора главным образом определяется идентичностью источников оптического излучения и в ряде случае оказывается недостаточной. A possible reduction in the cost of manufacturing the device due to simplification of the design of the device DBP 1195 does not give the desired result and leads to a deterioration in the metrological characteristics of the device. In addition, the stability of the device is mainly determined by the identity of the sources of optical radiation and in some cases is insufficient.

Задачей изобретения является создание более стабильного, надежного и дешевого устройства (за счет упрощения его оптической схемы), пригодного для применения на предприятиях молочной промышленности в их низовой молокоприемной сети, а также в сельскохозяйственных товариществах и фермерских хозяйствах, занимающихся производством молока и молочных продуктов. The objective of the invention is to create a more stable, reliable and cheap device (due to the simplification of its optical design), suitable for use at dairy enterprises in their lower milk collection network, as well as in agricultural partnerships and farms involved in the production of milk and dairy products.

Эта задача решается за счет того, что в обоих каналах (измерительном и компенсационном) используется один и тот же источник оптического излучения (светодиод) и один и тот же фотоэлектрический преобразователь. This problem is solved due to the fact that both channels (measuring and compensation) use the same source of optical radiation (LED) and the same photoelectric converter.

Двухканальная измерительная система, выполненная, как и в прототипе, в виде световодов, содержит в каждом канале электрически управляемые оптические затворы, функцию которых могут выполнять сегменты жидкокристаллического индикатора (ЖКИ). A two-channel measuring system, made, as in the prototype, in the form of optical fibers, contains in each channel electrically controlled optical shutters, the functions of which can be performed by segments of a liquid crystal indicator (LCD).

В качестве фотоэлектрического преобразователя использован фотодиод, включенный для работы в токовом режиме, на который поочередно с частотой управляющих прямоугольных импульсов скважности-2 через оптические затворы поступают оптические потоки измерительного и компенсационного каналов. As a photoelectric converter, a photodiode is used, which is turned on to operate in the current mode, to which the optical flows of the measuring and compensation channels are fed through the optical gates alternately with the frequency of the control rectangular pulses of the duty cycle-2.

Устройство содержит формирователь управляющих импульсов, состоящий из промежуточного делителя, -D- триггера и двух элементов ИЛИ -НЕ, который формирует две противофазные импульсные последовательности скважности-2 и две сфазифазированные синхронные с ними противофазные импульсные последовательности скважности-4, причем первая импульсная последовательность используется для коммутации электрооптических затворов. The device comprises a control pulse generator, consisting of an intermediate divider, -D- trigger and two elements OR-НЕ, which generates two antiphase pulse sequences of duty cycle-2 and two phase-phased synchronous antiphase pulse sequences of duty cycle-4, the first pulse sequence being used for switching electro-optical shutters.

Устройство также содержит дополнительный амплитудный детектор, а фазочувствительный детектор выполнен в виде двух аналоговых запоминающих устройств, входами подключенных к выходам электронных ключей, управляемых двумя синхронными импульсными последовательностями скважности 4. The device also contains an additional amplitude detector, and the phase-sensitive detector is made in the form of two analog memory devices, inputs connected to the outputs of electronic keys controlled by two synchronous pulse duty cycle 4.

Компенсатором устройства служит кювета с образцовым веществом или ее имитатор. The compensator of the device is a cell with an exemplary substance or its simulator.

На чертеже представлена схема устройства. The drawing shows a diagram of the device.

Устройство содержит генератор 1, источник оптического излучения 2, разветвленный световод 3, формирующий оптические каналы измерительный и компенсационный, в каждом из которых находятся электрооптические затворы 4а, 4б - сегменты ЖКИ 4, в измерительном канале помещена кювета 5 с контролируемым веществом, а в компенсационном - кювета 6 с образцовым веществом или ее имитатор, второй разветвленный световод 7, фотоэлектрический преобразователь 8, узкополосный усилитель 9, амплитудный детектор 10, фазочувствительный детектор, состоящий из электронных ключей 11, 12 и аналоговых запоминающих устройств 14, 15, к выходам которых подключается регистратор 15. The device contains a generator 1, an optical radiation source 2, a branched optical fiber 3, forming measuring and compensation optical channels, in each of which there are electro-optical shutters 4a, 4b - LCD segments 4, a cell 5 with a controlled substance is placed in the measuring channel, and in the compensation channel a cell 6 with an exemplary substance or its simulator, a second branched optical fiber 7, a photoelectric transducer 8, a narrow-band amplifier 9, an amplitude detector 10, a phase-sensitive detector, consisting of an electron key 11, 12 and analog storage devices 14, 15, the outputs of which are connected to the recorder 15.

Кроме того, устройство содержит промежуточный делитель 16, два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, и формирователь импульсов управления, состоящий из последовательно соединенных делителя 18, D-триггера 19 (работающего в режиме делителя на 2), и двух элементов ИЛИ-НЕ 20, который формирует две потивофазные импульсные последовательности скважности 2 A1 и

служащие для поочередного переключения электрооптических затворов и две сфазированные с A1 и

последовательности A2 и

скважности 4, служащие для управления электронными ключами 11, 12 аналоговых запоминающих устройств 13, 14.In addition, the device contains an intermediate divider 16, two elements EXCLUSIVE OR 17, and a control pulse shaper consisting of series-connected divider 18, D-flip-flop 19 (operating in 2-divider mode), and two elements OR-NOT 20, which forms two swept-phase pulse duty cycle 2 A1 and

employees for alternately switching electro-optical shutters and two phased with A1 and

sequences A2 and

duty cycle 4, used to control electronic keys 11, 12 analog storage devices 13, 14.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Во включенном состоянии промодулированный с рабочей частотой генератора 1 световой поток источника оптического излучения 2 через разветвленный световод 3, формирующий измерительный оптический канал и оптический канал сравнения, проходит сквозь электрооптические затворы 4a, 4б являющиеся сегментами ЖКИ 4, кювету с контролируемым веществом 5 и кювету с образцовым веществом (или ее имитатор) 6, второй разветвленный световод 7 световые потоки каналов поочередно с частотой импульсной последовательности A1 и

поступают на фотоэлектрический преобразователь на 8, подключенный к входу узкополосного усилителя 10, настроенного на рабочую частоту генератора 1.In the on state, the luminous flux of the optical radiation source 2, modulated with the operating frequency of the generator 1, passes through the branched optical fiber 3, which forms the measuring optical channel and the optical comparison channel, through the electro-optical shutters 4a, 4b that are the segments of the LCD 4, the cell with the controlled substance 5, and the cell with the standard substance (or its simulator) 6, the second branched optical fiber 7, the light fluxes of the channels alternately with the frequency of the pulse sequence A1 and

arrive at the photoelectric converter at 8, connected to the input of the narrow-band amplifier 10, tuned to the operating frequency of the generator 1.

Поочередно (последовательно во времени) прошедшие через усилитель 10 и амплитудный детектор 11 электрические сигналы каналов измерения и сравнения через ключи 12, 13 поступают на аналоговые запоминающие устройства 14, 15, которые совместно с ключами 12, 13 образуют фазочувствительный детектор, к выходу которого подключен регистратор устройства, который в простейшем случае обеспечивает стрелочную индикацию измеряемого компонента вещества. Alternately (sequentially in time) passed through the amplifier 10 and the amplitude detector 11, the electrical signals of the measurement and comparison channels through the keys 12, 13 are fed to analog storage devices 14, 15, which together with the keys 12, 13 form a phase-sensitive detector, to the output of which a recorder is connected device, which in the simplest case provides an arrow indication of the measured component of the substance.

Устройство содержит промежуточный делитель 16, который с двумя элементами ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 обеспечивает фазовое управление и питание (без постоянной составляющей тока) ЖКИ. The device contains an intermediate divider 16, which with two elements EXCLUSIVE OR 17 provides phase control and power (without constant current component) of the LCD.

Важными для работы устройства являются функции, выполняемые формирователем управляющих импульсов, который состоит из делителя 18, имеющего коэффициент деления 50-100 (в случае меньшего коэффициента деления снижается стабильного работы фазового детектора, в случае большего 100 коэффициента деления неоправданно возрастает инерционность устройства). Important for the operation of the device are the functions performed by the driver of the control pulses, which consists of a divider 18 having a division ratio of 50-100 (in the case of a lower division coefficient, the stable operation of the phase detector decreases, in the case of a larger 100 division factor the inertia of the device unreasonably increases).

Выход делителя 18 подключен к счетному входу C-D-триггера 19, работающего в режиме делителя на 2 и формирующего две противофазные импульсные последовательности A1 и

скважности-2, которые служат для управления электрооптическими затворами 4а, 4б, поочередно перекрывающими оптические потоки в каналах измерения и сравнения.The output of the divider 18 is connected to the counting input of the CD trigger 19, operating in the divider by 2 mode and generating two antiphase pulse sequences A1 and

duty cycle-2, which are used to control the electro-optical shutters 4a, 4b, which alternately overlap the optical flows in the measurement and comparison channels.

Кроме того, импульсные последовательности A1 и

поступают соответственно на входы двух элементов ИЛИ-НЕ 20, на другие объединенные входы которых подаются импульсы с делителя 18.In addition, the pulse sequences A1 and

arrive respectively at the inputs of two elements OR NOT 20, to the other combined inputs of which pulses from the divider 18 are supplied.

Сформированные таким образом импульсные последовательности A2 и

оказываются сфазированными, синхронизированными по заднему фронту с последовательностью A1 и

имеют ту же частоту при скважности 4. Это позволяет при использовании их для управления ключами 12, 13 фазочувствительного детектора подключить аналоговые запоминающие устройства после окончания переходных процессов, вызванных включением (реакцией) соответствующего электрооптического затвора, и отключить АЗУ прежде, чем возникнут переходные процессы (релаксация) после отключения соответствующего электрооптического затвора.The pulse sequences A2 thus formed and

turn out to be phased, synchronized on the trailing edge with the sequence A1 and

have the same frequency with a duty cycle of 4. This allows you to connect analog storage devices after transients caused by turning on (reaction) of the corresponding electro-optical shutter and turn off the RAM before transients occur when using them to control keys 12, 13 of a phase-sensitive detector ) after disabling the corresponding electro-optical shutter.

Все это относительно простыми средствами позволяет значительно повысить стабильность работы всего устройства. All this with relatively simple means can significantly increase the stability of the entire device.

Предложенный анализатор, имея более простую оптическую схему без сложного компенсатора, по себестоимости изготовления оказывается на порядок дешевле устройства прототипа. The proposed analyzer, having a simpler optical scheme without a complex compensator, at the cost of manufacturing is an order of magnitude cheaper than the prototype device.

Кроме того, изобретательский уровень технического решения явно проявляется в том, что в предложенном устройстве не только не ухудшается метрологические характеристики, а напротив, значительно возрастает стабильность показаний устройства, благодаря использованию общих для обеих каналов источника и приемника оптического излучения. In addition, the inventive step of the technical solution is clearly manifested in the fact that the proposed device not only does not deteriorate metrological characteristics, but, on the contrary, significantly increases the stability of the readings of the device, due to the use of a common source and receiver of optical radiation for both channels.

Claims

A photoelectric analyzer containing an optical radiation source connected to an alternating voltage generator, an optical system for forming the measuring and compensation channels, made in the form of optical fibers, a transparent cell with a controlled environment, placed in the measuring channel, an optical density simulator placed in the compensation channel, a photoelectric converter, located behind the combined end of the branched fiber and connected to the input of the amplifier, a phase-sensitive detector and a recorder, characterized in that a single LED is used as an optical radiation source, the measuring and compensation optical channels are formed using a branched optical fiber connected by an end face connected to the optical radiation source, electrically controlled optical shutters are installed in each optical channel, the photoelectric converter is made in the form of a photodiode included for current mode operation, the photoelectric converter is connected to the input of a narrow-band amplifier I, by the output of an amplitude detector connected to the input, the output of which through electronic keys is connected to the inputs of analog storage devices that form a phase-sensitive detector, the recorder is connected to the output, in addition, the device contains an intermediate divider connected to the output of the alternator, and the output to the combined inputs of the two elements EXCLUSIVE OR and the input of the pulse shaper control electro-optical shutters and electronic keys phase-sensitive det torus, which at the input contains a second divider, the output of which is connected to the input of the D-flip-flop, the direct and inverting outputs of which are connected to the second inputs of two EXCLUSIVE OR elements, the outputs of which are connected to the control inputs of the electro-optical gates, in addition, the direct and inverting outputs of D- flip-flops are connected to the inputs of two OR-NOT elements, the second inputs of which are connected to the output of the second divider, and the outputs of the OR-NOT elements are connected to the control inputs of electronic keys commuting analog storage devices royals.