оптоэлектронное устройство для идентификации и дефектоскопии

Формула изобретения

1. Оптоэлектронное устройство для идентификации и дефектоскопии, содержащее источник света с оптической системой, образцовую и рабочую ячейки облучения, связанные с помощью световодов с устройством обработки оптического сигнала, содержащим фотоприемник, отличающееся тем, что выходы световодов подведены к щелевой диафрагме, выход которой через диспергирующее устройство подсоединен к устройству обработки оптического сигнала, выполненного в виде матричного многоэлементного фотоприемника, причем между выходными торцами световодов имеется зазор, определяемый из соотношения

2а < S < L - 2d,

где S - зазор между световодами;

а - минимальный размер одного элемента фотоприемной матрицы;

L - длина щели;

d - диаметр выходных торцов световодов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве фотоприемника используется телевизионная камера.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве ячейки облучения используется ячейка нарушенного полного внутреннего отражения.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве рабочей ячейки облучения применяется аэрогидрооптическая крестовина, световые входы которой включаются в оптический тракт, а аэрогидродинамические входы подсоединены к исследуемому потоку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а также дефектоскопии и может быть использовано для идентификации, анализа и дефектоскопии твердых, жидких и газообразных веществ, например, моторных топлив, по октановому числу, содержанию серы, цетана, канцерогенных компонентов, а также наличию в них механических примесей и частиц.

Известны оптоэлектронные устройства и способы анализа моторных топлив построенные на основе спектрофотометрического анализа, в которых измеряется поглощение исследуемым топливом электромагнитного излучения на различных частотах, в диапазоне длин волн 0,8 - 2,6 мкм [1 - 10].

Недостатками аналогов является низкая точность, связанная с применением в конструкции излучателя или фильтра только одной длины волны [1, 3], или малое быстродействие и надежность, связанные с применением сложных, прецизионных оптических систем, использующих механически перемещающиеся узлы [6, 7, 11], что затрудняет возможность их применения в цеховых условиях.

Изобретение направлено на повышение точности идентификации, анализа и дефектоскопии разнообразных веществ, в частности моторных топлив, при сохранении высокого быстродействия.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве, содержащем источник света с оптической системой, образцовую и рабочую ячейки облучения, связанные с помощью световодов с устройством обработки оптического сигнала, содержащим фотоприемник, согласно изобретению выходы световодов подведены к щелевой диафрагме, выход которой через диспергирующее устройство подсоединен к устройству обработки оптического сигнала, выполненном в виде матричного многоэлементного фотоприемника, причем между выходными торцами световодов имеется зазор, определяемый из соотношения

2a<s
s - зазор между световодами; a - минимальный размер одного элемента фотоприемной матрицы; L - длина щели; d - диаметр выходных торцов световодов. При этом в качестве фотоприемника может использоваться телевизионная камера, а в качестве ячеек облучения - ячейки нарушенного полного внутреннего отражения или аэрогидрооптические крестовины, оптические входы которых подсоединены в разрыв световодов, а аэрогидродинамические входы подсоединены к исследуемому потоку.

Предложенное устройство отличается от известных тем, что выходные торцы световодов подведены не к фотоприемнику, а к щелевой диафрагме, выход которой через диспергирующее устройство подсоединен к устройству обработки оптического сигнала, причем выходные торцы световодов разнесены на расстояние, определяемое из соотношения (1). За счет этого на одной фотоприемной матрице параллельно формируются два спектра светопропускания или светоотражения (в зависимости от конструкции ячеек облучения) исследуемого и базового объектов, чем достигается положительный эффект. По мнению авторов наличие указанных отличительных признаков в совокупности дает существенное отличие предложенного устройства от известных.

На фиг. 1 изображена Схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема расположения выходных торцов световодов перед щелевой диафрагмой; на фиг. 3 - расположение спектров на фотоприемной матрице; на фиг. 4 - схематичная конструкция аэрогидрооптической крестовины.

Устройство содержит источник белого света 1, оптическую систему, состоящую из отражающих призм 2, 3 и линз 4, 5, формирующих световой поток для рабочей 6 и базовой 7 ячеек облучения, в которые помещаются соответственно исследуемый и базовый (в частном случае образцовый) продукты. Выходы ячеек облучения через фокусирующие линзы 8 и 9 подсоединены к входам световодов 10, 11, выходы которых подведены к щелевой диафрагме 12. Причем выходные торцы световодов разнесены, а расстояние между ними выбрано из соотношения (1), как показано на фиг.2. Выход щелевой диафрагмы через линзу 13 оптически соединен с диспергирующим устройством 14, которое может быть выполнено либо на основе дифракционной решетки, либо на основе преломляющей призмы. Выход диспергирующего устройства через фокусирующую линзу 15 оптически соединен с матричным фотоприемником 16, выход которого подключен к устройству обработки 17.

Работу устройства проиллюстрируем на примере анализа нефтедуктов, в частности, в режиме идентификации бензина по октановому числу.

В базовую ячейку облучения 7 заливается бензин с известным октановым числом и известным химсоставом, присущим нефти региона, из которой делается исследуемый бензин. В рабочую ячейку облучения 6 заливается исследуемый бензин. Свет, формируемый источником 1 и оптической системой 2,3,4,5 пройдя через исследуемый и базовый продукты, световоды 10,11, попадают на щелевую диафрагму 12. Так как выходные торцы световодов 10 и 11 специально разнесены, то на выходе диафрагмы 12 образуются два диафрагмированных световых потока, один из которых соответствует базовому, а другой - исследуемому продукту. Эти оптические потоки через линзу 13 попадают на диспергирующий элемент 14, который разлагает каждый поток в набор спектральных компонент по длинам волн, входящим в поток излучения источника 1. Каждый набор спектральных компонент линзой 15 проецируются на матричный фотоприемник 16, как показано на фиг 3, где 1 - спектральное разложение, полученное от исследуемого продукта, а 2 - спектральное разложение от базового продукта. Полученный фотоприемной матрицей сигнал обрабатывается устройством 17, в частности универсальной вычислительной машиной, по специальным программам обработки спектров с учетом региональных особенностей углеводородного сырья и априорных данных о взаимосвязи октанового числа со спектральными характеристиками и химсоставом бензина. Аналогичным образом можно идентифицировать и анализировать бензин или любой другой нефтепродукт, например, на содержание серы, цетана, ароматических углеводородов и других вредных и полезных веществ. При этом будет изменяться лишь программа обработки.

Наличие базовой ячейки облучения с продуктом, содержащим известное количество идентифицируемых веществ, позволяет не только калибровать устройство, но и упростить процесс написания обрабатывающих программ, а также легко адаптировать прибор под конкретные региональные особенности углеводородного сырья, используемого нефтеперерабатывающим заводом.

В качестве исследуемого объекта может быть газообразное, жидкое, твердое или сыпучее вещество, способное пропускать либо отражать оптическое излучение, что будет определяться только конструкцией ячейки облучения. В частности, в качестве ячеек облучения могут использоваться стандартные ячейки нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) [12], которые выпускаются промышленностью и имеют различные варианты исполнения для разных агрегатных состояний исследуемых объектов. Эти ячейки играют роль усилителя и инвертора спектра пропускания или отражения.

Отметим, что предложенное устройство может использоваться непосредственно в технологической трубе для оперативного контроля изготавливаемого жидкого или газообразного продукта. В этом случае в качестве ячейки облучения может использоваться аэрогидрооптическая крестовина (фиг. 4), оптические входы которой включаются в оптический тракт, а аэрогидродинамические входы - в разрыв отвода технологической трубы. При этом сам прибор может находиться в лаборатории в нормальных климатических условиях, а соединение его с крестовиной осуществляться с помощью световода. Базовая ячейка в этом случае может быть заполнена образцовым продуктом либо по желанию технологов установлена на более ранних стадиях технологического процесса, например в трубу с низкооктановым прямогонным бензином, в котором наиболее сильно проявляются региональные особенности углеводородного сырья.

При соответствующей конструкции ячейки облучения и оптического тракта устройство может быть использовано для дефектоскопии и идентификации прозрачных или отражающих объектов, например кристаллов или ювелирных изделий.

Отметим, что в качестве матричного фотоприемника может быть использована стандартная телекамера, что позволит упростить процесс конструирования прибора и применять стандартную аппаратуру ввода изображений в ЭВМ.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить точность идентификации и дефектоскопии, а также расширить функциональные возможности устройства как по сравнению с прямыми поглощательными методами, так и с чисто спектрометрическими методами, использующими классические спектрометры, так как здесь на одной фотоприемной матрице формируются одновременно два спектра от базового и от исследуемого объектов, что позволяет легко учитывать все особенности объекта, проводить текущую калибровку, проводить идентификацию и дефектоскопию объектов, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Источники информации.

1. Решение о выдаче патента по заявке N 95102799/25 от 27.02.95.

2. Авт.св. N 1594391, кл. G 01 N 21/35, 1990.

3. Авт.св. SU N 1733982, кл. G 01 N 21/64, 1992.

4. Авт.св. SU N 1163215, кл. G 01 N 21.35, 1985.

5. Авт.св. SU N 1522081, кл. G 01 N 21/31, 1989.

6. Авт.св. SU N 1769005, кл. G 01 J 3/28, 1992.

7. Авт.св. SU N 1780407, кл. G 01 N 21/25, 1995.

8. Ланг Г.А. Измерение важнейших параметров бензина с помощью анализатора в ближней ИК-области спектра. Нефтегазовые технологии N 9-10, 1994 г.

9. FR, заявка N 2619624, кл. G 01 N 33/26, 1987.

10. US, патент N 5225679, G 01 N 21.35.

11. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. М.:МГУ, 1986 г.

12. Н.Харрик. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир, 1970 г.