Спосіб вимірювання показника ослаблення спрямованого світла в газоподібних і рідких середовищах (варіанти) та пристрій для його здійснення (варіанти)

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і призначений для вимірювання показника ослаблення спрямованого світла в напівпрозорих середовищах. Він може бути використаний в системах контролю навколишнього середовища, океанографії, системах контролю технологічних процесів і системах пожежної безпеки. Відомі способи та пристрої для вимірювання показника ослаблення спрямованого світла, засновані на вимірюванні інтенсивності пучка світла до і після проходження ним в середовищі відомої відстані й обчисленні показника ослаблення згідно із законом Бугера. Загальною властивістю цих способів є використання для вимірювання одного джерела й одного приймача світла. Відомо, що на результат вимірювання показника ослаблення світла впливають мінливість у часі і від температури яскравості джерела світла, коефіцієнта чутливості приймача світла, коефіцієнтів пропущення (поглинання) світла в оптичних трактах джерела та приймача, коефіцієнтів пропущення (поглинання) світла в ілюмінаторах, інтенсивності зовнішньої засвітки приймача. Для усунення впливу перелічених чинників в різних пристроях використовують схеми самокалібрування, змінної або подвійної баз, модуляції світлового пучка, термостатування джерела світла і фотоприймача й інше. Ці заходи вимагають складних технічних рішень і не завжди ефективні. Відомий логарифмічний фотометер-прозоромір [1], що містить, як і заявлений винахід, джерело світла та приймач світла, на виході якого фіксують сигнали. У цьому аналогу використовується механічна модуляція пучка світла і розділення його на опорний і вимірювальний пучки, причому через середовище проходить тільки вимірювальний пучок. Недоліком пристрою і лежачого в основі його роботи способу є залежність результату вимірювання від різниці поглинання світла в різних оптичних трактах двох пучків і ілюмінаторів. До того ж використання дзеркального модулятора з двигуном, поворотної приймальної герметичної труби та поглиначів світлового фону ускладнює прилад і знижує його надійність. Відомий двоканальний фотометер для вимірювання прозорості середовища [2], що досліджується, який, як і заявлене рішення, містить мікропроцесор, джерело спрямованого світла, пов'язане з приймачем світла по оптичній трасі через дзеркало, ілюмінатор, середовище, інший ілюмінатор і інше дзеркало. Цей пристрій також, як і інші аналоги, передбачає одне джерело і один приймач світла. При цьому розділення пучка світла на опорний і вимірювальний пучки здійснюється дзеркальним обтюратором, а приймальна труба виконана поворотною відносно осі освітлювальної труби і поза трубами встановлені поглиначі світлового фону. Вказаний пристрій і лежачий в основі його роботи спосіб вимірювання показника ослаблення спрямованого світла в середовищі, що досліджується, прийняті як прототипи для кожного з винаходів, що входять до заявленої групи. Недоліком прототипу є те, що він не виключає впливу на результат вимірювання відмінності в поглинанні світла в оптичних трактах двох пучків, включаючи ілюмінатори, що не дозволяє забезпечити необхідної точності вимірювань. При цьому використання рухомого обтюратора, поворотної приймальної труби та поглиначів світлового фону істотно ускладнює прилад і спосіб вимірювання показника ослаблення світла в середовищі. У основу винаходу поставлена задача створення способу вимірювання показника ослаблення спрямованого світла в газоподібних і рідких середовищах, а також пристрою для його здійснення, в яких шляхом використання двох джерел спрямованого світла і двох фотоприймачів, розміщених в середовищі певним чином, а також за рахунок інших особливостей, що характеризують прийоми способу та конструкцію, забезпечується усунення чинника впливу на результат вимірювання неконтрольованих параметрів приладу і зовнішньої засвітки. Вказаний технічний результат підвищує точність вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що по першому варіанту в способі з використанням джерела та приймача світла, що включає фіксування сигналів на виході приймача, згідно з винаходом використовують два джерела та два приймачі світла, розміщені в середовищі таким чином, щоб обидва приймачі знаходилися в променях і першого, і другого джерел, одне вимірювання показника ослаблення виконують за чотири такти, причому в першому та другому тактах фіксують сигнали на виходах приймачів при двох різних значеннях інтенсивності першого джерела, в третьому і четвертому тактах фіксують сигнали на виходах приймачів при двох різних значеннях інтенсивності другого джерела, здійснюють n вимірювань по чотири такти, середню величину показника ослаблення обчислюють по формулі: n ì [U11(t1) - U11(t 2 )][U22 (t 3 ) - U22 ( t 4 )] ü, 1 ï ï e= ns + ln í n(L12 - L 11 + L 21 - L 22 ) ï [U12 (t1 ) - U12 (t 2 )][U21(t 3 ) - U21( t 4 )] ý ï t =1 þ î Õ , де Lij - довжина вимірювальної бази на трасі променя від і-го джерела до j-го приймача світла, i = 1, 2; j = 1 2; , Uij (ts) - сигнал на виході j-ого приймача від і-го джерела в s-ому такті, j = 1, 2; s = 1 4; s - постійна величина, що визначається при градуюванні, причому L12 – L11 + L 21 – L22 > 0. У випадку, коли зовнішня засвітка приймачів відсутня, використовується другий варіант способу, який відрізняється від першого тим, що одне вимірювання показника ослаблення світла виконують за два такти, в першому такті фіксують сигнали на виходах приймачів при освітленні їх першим джерелом, у другому такті фіксують сигнали на виходах приймачів при освітленні їх другим джерелом, здійснюють n вимірювань по два такти, середню величину показника ослаблення обчислюють по формулі: n é 1 U11( t 1 )U22 ( t 2 ) ù ú, ên s + ln e= n(L12 - L 11 + L 21 - L 22 ) ê U12 ( t 1)U21( t 2 ) ú t =1 û ë , де Lij - довжина вимірювальної бази на трасі променя від і-го джерела до j-го приймача світла, i = 1, 2; j = 1 2; Uij (ts) - сигнал на виході j-ого приймача від і-го джерела в s - ому такті; s - постійна величина, що визначається при градуюванні, причому L12 – L11 + L 21 – L22 > 0. Спосіб може реалізовуватися в декількох варіантах в залежності від набору параметрів, вплив яких необхідно виключити. На фіг.1 показана загальна схема розміщення джерел і приймачів світла зі зазначенням вимірювальних баз L11, L12 і L21, L22 на відповідних оптичних трасах першого та другого джерел. Õ На фіг.2 і 3 зображені структурні схеми відповідно першого та другого варіантів пристрою, що реалізовує заявлені варіанти способу. Суть способу пояснюється наступним. Нехай джерело спрямованого світла з інтенсивністю Ф(t) розміщене в середовище з показником ослаблення спрямованого світла e . Приймач світла з коефіцієнтом чутливості S(t) знаходиться в середовищі в промені джерела на відстані L. На трасі від джерела до приймача є фонова засвітка приймача з інтенсивністю Фо(t). По шляху від джерела приймача світло проходить оптичний тракт джерела з коефіцієнтом пропущеним k, ілюмінатор джерела з коефіцієнтом пропущеним l , середовище з коефіцієнтом пропущення e -e L , ілюмінатор приймача з коефіцієнтом пропущеним m, оптичний тракт приймача з коефіцієнтом пропущеним р. Згідно із законом Бугера для сигналу на виході приймача можна записати U( t ) = F( t )kle -e(t )L mpS + F 0 ( t )mpS. (1) У цьому виразі шуканою невідомою є величина e( t ) , спостережувана величина - U(t), величина Ф(t), що задається, але що не контролюється по абсолютному значенню, величина Фо(t) невідома, але що приблизно відносно повільно змінюється. Коефіцієнт чутливості S невідомий і повільно змінюється від зовнішніх чинників і старіння. Конструктивні коефіцієнти k і р невідомі, змінюються дуже повільно і можуть вважатися постійними на час між перевірками. Коефіцієнти l і m невідомі і повільно змінюються через забруднення ілюмінаторів, параметр L відомий. Задача полягає в тому, щоб зробити результат вимірювання незалежним від абсолютних значень величин Ф(t) і Фо(t), коефіцієнта S і малозалежним від конструктивних параметрів k і р і конструктивно-експлуатаційних параметрів l і m. Для цього згідно з винаходом в середовищі розміщують два джерела світла та два приймачі. При вимірюванні джерела по черзі опромінюють одночасно обидва приймачі (див. фіг.1) При опроміненні i -м джерелом інтенсивністю Фi(t) j-гo приймача по трасі ij, що має довжину в середовищі Lij, для сигналу на виході j-гo приймача отримаємо - e( t )L ij U ij ( t ) = F i (t )k ij l ij e m ij p ij S j + F 0 ij ( t )m ij p ij S j , (2) де k ij , l ij , mij , p ij - відповідні коефіцієнти, а Фoij - зовнішня засвітка на трасі ij. Вимірювання зробимо за чотири такти. Вважаємо, що за цей час e( t ) = const. . У першому такті включимо перше джерело інтенсивністю Ф1(t1) і зафіксуємо сигнали на виходах першого U11(t1) і другого U12(t1) приймачів. У другому такті включимо перше джерело на іншу інтенсивність Ф1(t2) і знову зафіксуємо сигнали на виходах першого U11(t2) і другого U12(t2) приймачів. В третьому такті включимо друге джерело з інтенсивністю Ф2(t3) і зафіксуємо сигнали на виходах першого U21(t3) і другого U22(t3) приймачів. В четвертому такті знову включимо друге джерело з іншою інтенсивністю Ф2(t4) і зафіксуємо сигнали на виходах першого U21(t4) і другого U22(t4) приймачів. Відповідно до рівнянь 1 і 2 можемо записати U11( t 1 ) = F 1( t 1 )k 11l 11e -e( t)L11m11p11S1 + + F 011( t 1)m11p11S1, U12 ( t 1) = F1( t 1)k12 l 12 e -e( t )L 12 m12p12 S2 + + F 012 ( t 1)m12p12 S2 , U11( t 2 ) = F1( t 2 )k11l 11e- e( t )L 11m11p11S1 + + F 011( t 2 )m11p11S1, U12 ( t 2 ) = F1( t 2 )k12 l 12 e- e( t )L 12 m12 p12 S2 + + F012 ( t 2 )m12p12 S2 , U21( t 3 ) = F 2 ( t 3 )k 21l 21e- e( t )L 21 m21p21S1 + + F021( t 3 )m21p21S1, U22 ( t 3 ) = F 2 ( t 3 )k 22 l 22 e -e( t )L 22 m22p 22S 2 + + F022 ( t 3 )m22 p22 S2 , U21( t 4 ) = F 2 ( t 4 )k 21l 21e -e( t )L 21m 21p21S1 + +F021( t 4 )m 21p21S1, U22 ( t 4 ) = F 2 ( t 4 )k 22 l 22 e -e( t )L 22 m 22p22 S 2 + + F022 ( t 4 )m 22p22 S2 , (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) Щоб прибрати зовнішню засвітку, необхідно залишити реакцію системи тільки на змінну складову інтенсивності джерел. Для цього проведемо віднімання з виразу З виразу 5, із 4 - 6, із 7 - 9, з 8 - 10. Отримаємо U11 (t1 ) - U11( t 2 ) = [F1( t 1 ) - F1( t 2 ) ]× (11) 11 × k11l 11e- eL m11p11S1, U12 (t 1 ) - U12 ( t 2 ) = [F1( t 1 ) - F1( t 2 )] × × k12 l 12 e - eL m12p12 S2 , 12 U21 (t 3 ) - U21( t 2 ) = [F 2 ( t 3 ) - F 2 ( t 4 )] × × k 21l 21e- eL m21p21S1, 21 (12) (13) U22 (t 3 ) - U22 ( t 4 ) = [F 2 ( t 3 ) - F 2 ( t 4 )] × (14) 22 × k 22 l 22 e- eL m22 p22 S2 , Для виключення Ф(t) розділимо вираз 11 на 12 і 14 на 13. Отримаємо k l m p S U11( t 1 ) - U11 ( t 2 ) = 11 11 11 11 1 × U12 ( t 1 ) - U12 ( t 2 ) k12 l 12m12 p12 S2 (15) e (L12 - L 11 ) , ×e U 22 ( t 3 ) - U 22 ( t 4 ) k 22 l 22m 22p 22 S 2 = × U21( t 3 ) - U 21( t 4 ) k 21l 21m 21p 21S1 ×e e (L 21 - L 22 ) (16) , Для виключення Si помножимо вирази 15 і 16. Отримаємо [U11(t1) - U11(t 2 )][U22 (t3 ) - U22 (t 4 )] = [U12 (t1 ) - U12 ( t2 )][U21(t 3 ) - U21(t 4 )] = k11l 11m11p11 × k 22 l 22m22p 22 k12 l12m12p12 × k 21l 21m21p21 ee(L 12 - L11 + L 21 -L 22 ) (17) Введемо коефіцієнт A= k 12 l 12 m12 p 12 × k 21l 21m 21p 21 k 11l 11m11p11 × k 22 l 22 m 22 p 22 . (18) Коефіцієнт A містить добуток відношень всіх однойменних параметрів чотирьох оптичних трактів. Якщо тракти виконані ідентичними і зберігаються ідентичними при експлуатації, то ці параметри рівні і коефіцієнт A =1. Тоді e e(L 12 - L 11 + L 21 - L 22 ) = = [U11(t 1 ) - U11(t 2 )][U22 (t 3 ) - U22 (t 4 )] [U12 (t 1 ) - U12 (t 2 )][U21 (t 3 ) - U21(t 4 )] e( t ) = 1 ln L12 - L11 + L 21 - L 22 [U11(t1 ) - U11(t 2 )][U22 (t3 ) - U22 (t 4 )] . [U12 (t1) - U12( t2 )][U21(t3 ) - U21(t 4 )] (19) (20) З останнього виразу видно, що в результат вимірювання параметри оптичних трактів не входять. Якщо оптичні тракти не є ідентичними, але їх конструктивні параметри або їх відношення зберігаються постійними, то коефіцієнт А буде постійною величиною, яка визначається при градуюванні. Перепишемо вираз 19 з урахуванням позначень 18 e e(L 12 - L 11 + L 21 -L 22 ) = =A [U11(t 1 ) - U11 (t 2 )][U22 (t 3 ) - U22 (t 4 )] [U12 (t 1) - U12 (t 2 )][U21 (t 3 ) - U21(t 4 )] (21) , Перемножимо n рівнянь вигляду 21 для n відліків за часом t = 1 n і отримаємо n e e(L 12 -L 11 + L 21 -L 22 ) å t =1 n = An Õ t =1 [U11(t1) - U11(t2 )][U22 (t 3 ) - U22 (t 4 )] [U12(t1) - U12 (t 2 )][U21(t3 ) - U21(t 4 )] (22 Для середнього за часом за n відліків показника ослаблення світла отри маємо e= 1 n(L12 - L11 + L21 - L 22 ) n ì [U11( t1) - U11( t 2 )][U22 ( t 3 ) - U22 ( t 4 )]ü, ï ï íns + ln Õ ý ï t =1 [U12 ( t 1) - U12 ( t 2 )][U21( t 3 ) - U 21( t 4 )]ï î þ де e = 1 n (23) n å e(t), (24) t =1 (25) s = lnA. Член n(L12 – L11 + L21 – L 22) у виразі 23 можна інтерпретувати як деяку віртуальну вимірювальну базу, в n раз більше фізичної. Умовою фізичної реалізації способу є L12 – L11 + L21 – L22 > 0 (26) Член s залежить від конкретної фізичної реалізації способу і визначається при градуюванні. При А =1 отримаємо s = 0. У випадку, якщо зовнішня засвітка в середовищі відсутня (Ф0ij) = 0, використовують другий варіант способу, який відрізняється від першого тим, що одне вимірювання показника ослаблення виконують в два такти. У першому такті перше джерело освітлює інтенсивністю Ф1 (t1) обидва приймачі і фіксуються на їх виходах сигнали U11(t1) і U12 (t1). У другому такті друге джерело освітлює інтенсивністю Ф1(t2 ) обидва приймачі і фіксуються на їх виходах сигнали U21(t2) і U22 (t2). Можемо записати систему рівнянь U11 ( t 1 ) = F 1( t 1 )k 11l 11e - eL11 m11p11S1, (27) U12 ( t 1 ) = F1( t 1 )k 12 l 12 e - eL12 m12 p12 S 2 , (28) U21 ( t 2 ) = F 2 ( t 2 )k 21l 21e - eL 21 (29) m 21p 21S1, - eL 22 U22 ( t 2 ) = F 2 ( t 2 )k 22 l 22 e m 22 p 22 S 2 , Перетворюючи ці рівняння, отримаємо U11 ( t 1 ) k l m p S = 11 11 11 11 1 e e(L12 -L11) , U12 ( t 1 ) k 12 l 12 m12 p 12 S 2 U 22 ( t 2 ) U 21 ( t 2 ) = k 22 l 22 m 22 p 22 S 2 k 21l 21m 21p 21S 1 e e( t )(L 12 - L11 + L 21 -L 22 ) = × e= k 11l11m11p11 × k 22 l 22m22p 22 1 n(L12 - L 11 + L 21 - L 22 ) [ ] (31) e e (L 21 -L 22 ) , k 12l 12m12p12 × k 21l 21m 21p 21 U11( t1 )U22 ( t 2 ) U12 ( t 1)U21( t 2 ) (30) (32) × (33) (34) n U11( t )U22 ( t ) ù é ên s + ln Õ ú. U ê t =1 [ 12 ( t1 )U 21( t 2 )] ú ë û Заявлений спосіб має варіанти технічної реалізації. Згідно з першим варіантом в заявленому пристрої для вимірювання показника ослаблення спрямованого світла в газоподібних і рідких середовищах, який містить мікропроцесор і джерело світла, пов'язане з приймачем світла по оптичній трасі через дзеркало, ілюмінатор, середовище, інший ілюмінатор і інше дзеркало, новим є те, що він містить перший і другий блоки джерел світла, входи яких сполучені з виходами відповідно першого та другого цифрово-аналогових перетворювачів, перший і другий блоки приймачів світла, виходи яких сполучені відповідно з входами першого та другого аналогово-цифрових перетворювачів, виходи яких підключені до входів мікропроцесора, виходи якого підключені до входів цифрово-аналогових перетворювачів, причому кожний блок джерела світла містить джерело спрямованого світла з першою оптичною трасою через напівпрозоре дзеркало і перший ілюмінатор і в середовище і другою оптичною трасою від напівпрозорого дзеркала, розташованого під кутом до осі першої оптичної траси, і через другий ілюмінатор в середовище, кожний блок приймача світла містить приймач світла по першій оптичній трасі з середовища через перший ілюмінатор і напівпрозоре дзеркало і другій оптичній трасі з середовища через другий ілюмінатор і від напівпрозорого дзеркала, розташованого під кутом до осі першої оптичної траси, при цьому блоки джерел і приймачів світла розміщені в середовищі у вершинах чотирикутника так, що вісі перших оптичних трас першого та другого блоків джерел світла збігаються відповідно з вісями перших оптичних трас другого та першого блоків приймачів світла, вісі других оптичних трас першого та другого блоків джерел світла збігаються відповідно з вісями других оптичних трас першого та другого блоків приймачів світла, а відстані в середовищі між ілюмінаторами на оптичних трасах від першого джерела до першого та другого приймачів, відповідно L11, L12, і від другого джерела до першого та другого приймачів, відповідно L21, L22, є вимірювальними базами, причому L12 – L11 + L 21 – L22 > 0. У приватному разі виконання пристрою джерела та приймачі світла розміщені (в складі відповідно блоків джерел світла і блоків приймачів світла) у вершинах прямокутника, як це зображене на фіг.2. До складу пристрою входять перший 1 і другий 2 блоки джерел світла Д1 і Д2, перший 3 і другий 4 блоки приймачів світла П1 і П2, перший 5 і другий 6 цифрово-аналогові перетворювачі ЦАП1 і ЦАП2, перший 7 і другий 8 цифрово-аналогові перетворювачі АЦП1 і АЦП2, мікропроцесор 9 МП. Кожний блок джерела світла містить джерело спрямованого світла 10, напівпрозоре дзеркало 11, ілюмінатори 12 і 13. Кожний блок приймача світла містить приймач 14, напівпрозоре дзеркало 15 і ілюмінатори 16 і 17. Напівпрозорі дзеркала у всіх блоках встановлюються під кутом до осі оптичної траси служать для відгалуження під кутом частини світла, що падає на них. Блоки розташовані по кутах чотирикутника для формування оптичних трас. Траса від першого джерела 10 в блоці 1 Д1 до першого приймача 14 в блоці 3 П1 проходить через напівпрозоре дзеркало 11, ілюмінатор 13, середовище, ілюмінатор 17, напівпрозоре дзеркало 15. Довжина вимірювальної бази L11 рівна відстані між ілюмінаторами 13 і 17. Траса від першого джерела 10 в блоці 1 Д1 до другого приймача 14 в блоці 4 П2 проходить через напівпрозоре дзеркало 11, ілюмінатор 12, середовище, ілюмінатор 16, напівпрозоре дзеркало 15. Довжина вимірювальної бази L12 рівна відстані між ілюмінаторами 12 і 16. Траса від другого джерела 10 в блоці 2 Д2 до першого приймача 14 в блоці 3 П1 проходить через напівпрозоре дзеркало 11, ілюмінатор 12, середовище, ілюмінатор 16, напівпрозоре дзеркало 15. Довжина вимірювальної бази L21 рівна відстані між ілюмінаторами 12 і 16. Траса від другого джерела 10 в блоці 2 Д2 до другого приймача 14 в блоці 4 П2 проходить через напівпрозоре дзеркало 11, ілюмінатор 13, середовище, ілюмінатор 17, напівпрозоре дзеркало 15. Довжина вимірювальної бази L22 рівна відстані між ілюмінаторами 13 і 17. У цьому випадку L11 = L 22