專利名稱：紅外反射水分計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用光學(xué)方法測定物料成分的儀器，具體說是一種應(yīng)用水對特定波長的近紅外輻射能量的吸收、反射來測定物料水分的紅外反射水分計(jì)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，應(yīng)用水對特定波長的近紅外輻射能量的吸收、反射來測定物料水分的儀器可分兩類，一類如U.S.P4097743所公開的一種水分分析裝置，它采用的是雙光路、先分光的技術(shù)方案，即裝置中設(shè)有將光源近紅外輻射能量引向被測物料并被其吸收、反射到探測器的主光路部件和將光源近紅外輻射能量不經(jīng)過被測物料吸收、反射直接引向探測器的輔光路部件，而且在近紅外輻射能量被物料吸收、反射前用單色器分光；另一類如Measurex2238型紅外反射水分計(jì)，則采用后分光的技術(shù)方案，即它在近紅外輻射能量在被測物料吸收、反射后用單色器分光。上述兩類儀器各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者因有輔光路裝置，經(jīng)單色器后增加了兩個(gè)不經(jīng)物料反射的內(nèi)補(bǔ)償信號，它們反映了入射光中測量波長和參比波長能量的大小，通過乘除器運(yùn)算，可以消除由于環(huán)境溫度變化、光學(xué)元件老化等引起的誤差，溫度穩(wěn)定性好，但是由于采用了近紅外輻射能量被物料吸收、反射前分光，這樣，外來光中的近紅外輻射能量可以不經(jīng)過單色器直接經(jīng)物料反射到探測器造成干擾，即使在探測器前再加一塊阻可見光、透紅外光的濾光片，但要滿足高、低兩種水分量程選擇不同的測量波長及參比波長變化所需要的波段覆蓋，其通帶通常要寬達(dá)10000
，特別對于用交流供電含大量近紅外輻射的白熾燈，影響更大。后者因采用近紅外輻射能量被物料吸收、反射后分光的技術(shù)方案，外來光中的近紅外輻射能量要經(jīng)過窄帶濾光片分光后才能到達(dá)探測器，故其對儀器測量干擾小，因而儀器的探頭可在任意方向上安裝，其缺點(diǎn)是由于采用了兩個(gè)探測器，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，兩個(gè)探測器的性能變化難以做到完全一致，為了減少誤差，兩探測器的溫度變化要求嚴(yán)格控制在0.005℃以內(nèi)。
本實(shí)用新型的目的是提供一種溫度穩(wěn)定性好、對外來光中近紅外輻射干擾小的紅外反射水分計(jì)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用雙光路、后分光的技術(shù)方案。具體說，一種紅外反射水分計(jì)包括光源、單色器、探測器、將光源的光束引向被測物料吸收、反射到探測器的主光路裝置、將光源的光束直接引向探測器的輔光路裝置，以及與探測器連接的測量裝置，所說的光源底座連接在中心軸水平的拋物面反射鏡上；所說的主光路裝置包括設(shè)在光源正前方與拋物面反射鏡中心軸夾角為45°的中心開有小孔的平面反射鏡、水平安裝在該平面反射鏡正下方的光窗玻璃、水平安裝在該平面反射鏡正上方的凸球面反射鏡、以及水平安裝在凸球面反射鏡正上方的中心開有圓孔的凹球面反射鏡；所說的單色器設(shè)在凹球面反射鏡和探測器之間，單色器的濾光片盤上安裝有三塊彼此分隔為120°的單色濾光片，其穿透波長分別為測量波長λm，第一參比波長λr1和第二參比波長λr2，而且λr2－λm＝λm－λr1；所說的輔光路裝置是由設(shè)置在單色器濾光片盤上、下側(cè)的兩根光纜對合而成。
本實(shí)用新型用一個(gè)探測器，按時(shí)間分割方式順序接收三束來自同一光源經(jīng)被測物料吸收、反射后經(jīng)單色器分光后的光和另外三束直接來自光源而不經(jīng)過被測物料吸收、反射經(jīng)單色器分光的光。設(shè)Vm、Vr1和Vr2及V′m、V′r1和V′r2分別表示上述前三束光和后三束光對應(yīng)的放大器輸出電壓，則可寫出Vm＝Imαβmγ(1－KmM)TmδmA。(1)Vr1＝Ir1αβr1γ(1－Kr1M)Tr1δr1A。 (2)Vr2＝Ir2αβr2γ(1－Kr2M)Tr2δr2A。 (3)V′m＝Imα′TmδmA。(4)
V′r1＝Ir1α′Tr1δr1A。 (5)V′r2＝Ir2α′Tr2δr2A。 (6)上述諸式中，Im、Ir1和Ir2分別為光源燈泡發(fā)出的光中具有測量波長λm、第一參比波長λr1和第二參比波長λr2的輻射通量；α為入射光中到達(dá)被測物料的輻射通量比率；α′為入射光中到達(dá)輔光路的輻射通量比率；βm、βr1和βr2分別為被測物料對測量波長、第一和第二參比波長的反射系數(shù)；γ為反射光中到達(dá)探測器的光通量比率；Km、Kr1和Kr2分別為水對測量波長、第一和第二參比波長的吸收系數(shù)，Km＞＞Kr1或Kr2；M為物料的水分值；Tm、Tr1和Tr2分別為測量波長、第一和第二參比波長濾光片中心透過波長的透過率；δm、δr1和δr2分別為探測器對測量波長、第一和第二參比波長的光電轉(zhuǎn)換率；A。為放大器的放大倍數(shù)。本儀器中把E＝Vr1·V′m÷Vm·V′r1＋Vr2·V′m÷Vm·V′r2(7)作為衡量被測物料水分的尺度，用(1)～(6)式代入(7)，則得到E＝［βr1(1－Kr1M)＋βr2(1－Kr2M)］／βm(1－KmM) (8)由此可見，儀器測得值僅與被測物料水分值M和被測物料對測量波長、第一參比波長和第二參比波長的反射系數(shù)βm、βr1和βr2有關(guān)，與燈泡、探測器、濾光片、放大器等技術(shù)特性的變化無關(guān)，也就是說，它對溫度不敏感。
通常Km＞＞Kr1或Kr2，當(dāng)滿足KmM＜＜1時(shí)，(8)式可寫成E≈(βr1＋βr2)(1＋KmM)／βm (9)故儀器測得值與物料水分值M呈線性關(guān)系。因λr2－λm＝λm－λr1，則被測物料背景發(fā)生傾斜時(shí)，可認(rèn)為(βr1＋βr2)／βm＝［(βr＋Δ)＋(βr－Δ)］／βm近似保持不變，故儀器測得值對被測物料背景變化不敏感。
綜上所述，本實(shí)用新型采用單光源、單探測器、雙光路和三波長的結(jié)構(gòu)，可補(bǔ)償因環(huán)境溫度變化、裝置的光學(xué)元件老化或樣品背景變化所引起的測量誤差，因而在不加任何恒溫條件下，儀器穩(wěn)定性好；采用近紅外輻射能量被物料吸收、反射后再分光可有效地減少外來光中紅外線對測量的干擾；輔光路中采用光纜傳送光信號可以使儀器探頭內(nèi)各部件布局靈活、緊湊；還可在濾光片盤上貼上能反射紅外光的鋁箔作為采樣和復(fù)位標(biāo)志，配以采樣和復(fù)位傳感器可以使儀器便于實(shí)現(xiàn)微機(jī)化。
本實(shí)用新型有下列附圖

圖1為本實(shí)用新型所提供的紅外反射水分計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為單色器濾光片盤示意圖；圖3為傳感器信號時(shí)序圖；圖4為測量裝置示意圖。
現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作具體描述如圖1所示，一種紅外反射水分計(jì)包括光源燈泡1、由濾光片盤7和濾光片20組成的單色器、硫化鉛探測器8、主光路裝置、輔光路裝置，以及與探測器8連接的測量裝置。光源燈泡1底座連接在中心軸水平的拋物面反射鏡2上。主光路裝置包括設(shè)在光源燈泡1正前方與拋物面反射鏡2的中心軸夾角為45°的中心開有小孔的平面反射鏡3、水平安在該平面反射鏡3正下方的光窗玻璃21、水平安在該平面反射鏡3正上方的凸球面反射鏡6，以及水平安在凸球面反射鏡6正上方的中心開有圓孔的凹球面反射鏡5。本實(shí)施例中，在光源燈泡1的正前方設(shè)一與拋物反射鏡2中心軸垂直的側(cè)面開有圓形開口的空心圓筒26，在空心圓筒26內(nèi)，位于圓形開口處安裝一中心開有小孔的橢圓形平面反射鏡3，光窗玻璃21和凸球面反射鏡6分別安在空心圓筒26的底部和頂部。單色器是由濾光片盤7和安裝在該盤上的單色濾光片20組成，濾光片盤7由同步電機(jī)12驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)／分，濾光片盤7設(shè)在凹球面反射鏡5和探測器8之間，盤7上安裝有三塊彼此分隔120°的單色濾光片20(見圖2)，其穿透波長分別為λm、λr1和λr2，其中λm為對水敏感的測量波長，λr1和λr2為對水不敏感的第一參比波長和第二參比波長，而且λr2－λm＝λm－λr1。所說的輔光路裝置是由設(shè)置在濾光片盤7上、下兩側(cè)的光纜10和9對合而成，光纜9的始端插入平面反射鏡3的中心小孔中，其末端及光纜10的始、末端分別插入固緊裝置15、16和17的中心孔內(nèi)進(jìn)行定位，固緊裝置15和16的中心孔的中心連線為輔光軸，固緊裝置17的安裝位置能在垂直方向進(jìn)行調(diào)整。從光源燈泡1發(fā)出的光經(jīng)拋物面反射鏡2反射后變成平行光，經(jīng)平面反射鏡3轉(zhuǎn)90°后穿過光窗玻璃21射到被測物料4，被它吸收、反射后的光再經(jīng)光窗玻璃21、由凹球面反射鏡5會聚后，再經(jīng)凸球面反射鏡6反射，穿過凹球面反射鏡5的中心圓孔，在濾光片20上聚焦，上、下兩光錐中心線為主光軸。當(dāng)某一塊濾光片切入主光軸時(shí)，具有該濾光片中心透過波長的光能夠透過它到達(dá)探測器8，構(gòu)成主光路。來自光源燈泡1的入射光中一小部分通過平面反射鏡3的中心小孔和光纜9被引到濾光片盤7下面與主光軸相對稱的位置上，當(dāng)某一濾光片切入輔光軸時(shí)，具有該濾光片中心透過波長的光能夠透過它，并通過光纜10和安裝在探測器8前側(cè)的平面反射鏡11反射到探測器8上，構(gòu)成輔光路。在濾光片盤7的盤面上，主光軸、輔光軸和濾光片盤7中心軸線與盤面的三個(gè)交點(diǎn)位于該盤的同一直徑上。如圖2所示，在濾光片盤7的不同半徑的圓周上分別貼有能反射紅外光的鋁箔18和19，作為發(fā)出采樣和復(fù)位脈沖的識別標(biāo)志。其中鋁箔18有六塊，它們的中心線之間的相交角為60°，鋁箔19一塊。在濾光片盤7的上方與鋁箔18和19相對應(yīng)的徑向距離處分別設(shè)有采樣傳感器13和復(fù)位傳感器14，它們均為由紅外發(fā)光二極管和硅光電三極管組成的光電開關(guān)。當(dāng)鋁箔18或19轉(zhuǎn)到采樣傳感器13或復(fù)位傳感器14下面時(shí)，使傳感器13或14發(fā)出采樣或復(fù)位脈沖，如圖3所示。探測器8交替地接收來自主、輔光路的光信號，因?yàn)V光片盤7上裝有三塊濾光片20，裝置上有主、輔兩個(gè)光軸，故濾光片盤7每旋轉(zhuǎn)一周，探測器8能接收到六個(gè)脈沖。所以本實(shí)用新型具有單光源、單探測器、雙光路、三波長、六光束的特點(diǎn)。
如圖4所示，測量裝置包括隔離型儀表放大器27、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器28、單片微機(jī)29、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器33和36，由發(fā)光二極管和硅光電三極管組成的光電耦合器34和37，微分削波器38和39，三位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器35，以及數(shù)／模轉(zhuǎn)換器30、運(yùn)算放大器31和電壓／電流轉(zhuǎn)換器32，探測器8的輸出端與放大器27的輸入端連接，放大器27的輸出端與模／數(shù)轉(zhuǎn)換器28的輸入端ViN連接，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器28的輸出端INTR與單片微機(jī)29輸入端INTI連接，單片微機(jī)29的RD輸出端與模／數(shù)轉(zhuǎn)換器28的RD輸入端連接，傳感器13和14的硅光電三極管輸出端分別與雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器33和36的輸入端連接，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器33和36的輸出端分別與光電耦合器34和37的發(fā)光二極管正極連接，光電耦合器34的硅光電三極管集電極與模／數(shù)轉(zhuǎn)換器28的WR端連接，并經(jīng)微分削波器38與計(jì)數(shù)器35的CP端連接，光電耦合器37的硅光電三極管的集電極經(jīng)微分削波器39與計(jì)數(shù)器35的R輸入端連接，計(jì)數(shù)器35的輸出端與單片微機(jī)29的P2端連接，單片微機(jī)29的P1輸出端與數(shù)／模轉(zhuǎn)換器30的輸入端連接，數(shù)／模轉(zhuǎn)換器30的輸出端接運(yùn)算放大器31的輸入端，運(yùn)算放大器31的輸出端接電壓／電流轉(zhuǎn)換器32的輸入端。探測器8輸出的信號經(jīng)隔離型儀表放大器27放大后，送到模／數(shù)轉(zhuǎn)換器28輸入端ViN。當(dāng)采樣傳感器13下面有鋁箔進(jìn)入時(shí)，其硅光電三極管輸出采樣脈沖電流去觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器33，其輸出電流驅(qū)動光電耦合器34中的發(fā)光二極管，該耦合器34中的硅光電三極管集電極輸出負(fù)脈沖至模／數(shù)轉(zhuǎn)換器28的WR輸入端，使其開始進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，另一方面，該負(fù)脈沖通過微分削波器38輸至三位二進(jìn)制計(jì)算器35的CP輸入端，使其計(jì)數(shù)，其輸出與單片微機(jī)29的P2口相連。一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器28的INTR輸出端輸出一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號至單片微機(jī)29的中斷輸入端INTI，使其RD輸出端向模／數(shù)轉(zhuǎn)換器28的RD發(fā)出“讀”信號，通過P0端口把模／數(shù)變換器28輸出的數(shù)字量輸出到計(jì)數(shù)器35所對應(yīng)的隨機(jī)存貯器中某一地址單元中去。此時(shí)，如果鋁箔18還未移出傳感器13，WR端信號始終保持“0”電平，上述變換過程會接連不斷地進(jìn)行著，即緊挨著第一次變換出的數(shù)據(jù)在隨機(jī)存貯器中的存貯地址，存貯著第二次模／數(shù)變換器輸出的數(shù)據(jù)；緊挨著第二次變換出的數(shù)據(jù)在隨機(jī)存貯器中的存貯地址，又存貯著第三次模／數(shù)變換輸出的數(shù)據(jù)，以此類推，直到鋁箔18離開傳感器13為止。接著微機(jī)29在軟件控制下對上述幾個(gè)地址中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，剔除隨機(jī)誤差大的數(shù)據(jù)，求出其平均值后再將它傳送到另外指定的地址單元中去。當(dāng)復(fù)位傳感器14下面有鋁箔19進(jìn)入時(shí)，其硅光電三極管輸出復(fù)位脈沖電流去觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器36，其輸出電流驅(qū)動光電耦合器37中的發(fā)光二極管，該光電耦合器37中的硅光電三極管的集電極輸出負(fù)脈沖至計(jì)數(shù)器35的R復(fù)位輸入端，使該計(jì)數(shù)器35復(fù)位。在軟件控制下，微機(jī)29從各指定的地址單元中取出諸平均值
和
進(jìn)行運(yùn)算，得出被測物料水分，即水分百分比＝A＋B(
)其中A和B兩個(gè)常數(shù)在儀器標(biāo)定時(shí)可通過回歸運(yùn)算算出，存貯在隨機(jī)存貯器指定的地址單元中。微機(jī)29算出的代表水分百分比的數(shù)據(jù)從其P口輸至數(shù)／模變換器30，由運(yùn)算放大器31輸出模擬量電壓，再經(jīng)電壓／電流變換器32變成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA信號，作為本儀器模擬輸出，用以使控制器對生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)在線控制。
本實(shí)用新型可用于測量粉狀、粒狀、片狀、纖維狀以及小塊狀各種固體物料中的水分，能廣泛應(yīng)用于陶瓷、煙草、化工、水泥、醫(yī)藥、造紙、冶金、木材加工、糧食加工和礦物加工等工業(yè)，其測量結(jié)果與物料裝填密度、料層厚度和物料溫度無關(guān)，特別適用于傳送帶上固體物料的在線無接觸連續(xù)測量，并能給控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的信號，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少能耗。
權(quán)利要求1.一種紅外反射水分計(jì)，包括光源燈泡(1)，由濾光片盤(7)和濾光片(20)組成的單色器，硫化鉛探測器(8)，將光源燈泡(1)的光束引向被測物料(4)吸收、反射到探測器(8)的主光路裝置，將光源燈泡(1)的光束直接引向探測器(8)的輔光路裝置，以及與探測器(8)連接的測量裝置，其特征在于光源燈泡(1)的底座連接在中心軸水平的拋物面反射鏡(2)上，主光路裝置包括設(shè)在光源燈泡(1)正前方與拋物面反射鏡(2)中心軸夾角為45°的中心開有小孔的平面反射鏡(3)、水平安裝在該平面反射鏡正上方和正下方的凸球面反射鏡(6)和光窗玻璃(21)、以及水平安裝在凸球面反射鏡(6)正上方的中心開有圓孔的凹球面反射鏡(5)，單色器設(shè)在凹球面反射鏡(5)和探測器(8)之間，單色器的濾光片盤(7)上安裝有三塊彼此分隔為120°的單色濾光片(20)，其穿透波長分別為測量波長λm、第一參比波長λγ1和第二參比波長λγ2，而且λγ2-λm=λm-λγ1，輔光路裝置是由設(shè)置在濾光片盤(7)上、下兩側(cè)的光纜(10)和(9)對合而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外反射水分計(jì)，其特征在于所說的濾光片盤(7)上不同半徑圓周上分別貼有鋁箔(18)和(19)，鋁箔(18)共六塊，它們中心線之間的相交角為60°，鋁箔(19)為一塊，在濾光片盤(7)的上方與鋁箔(18)和(19)相對應(yīng)的徑向距離處分別設(shè)有由紅外發(fā)光二極管和硅光電三極管組成的采樣傳感器(13)和復(fù)位傳感器(14)，傳感器(13)和(14)分別與測量裝置連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種紅外反射水分計(jì)，其特征在于所述的測量裝置包括隔離型儀表放大器(27)、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(28)、單片微 機(jī)(29)、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(33)和(36)，由發(fā)光二極管和硅光電三極管組成的光電耦合器(34)和(37)，微分削波器(38)和(39)，以及三位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(35)，探測器(8)的輸出端與放大器(27)的輸入端連接，放大器(27)的輸出端與模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(28)的輸入端ViN連接，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(28)的輸出端INTR與單片微機(jī)(29)輸入端INTI連接，單片微機(jī)(29)的RD輸出端與模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(28)的RD輸入端連接，傳感器(13)和(14)的硅光電三極管輸出端分別與雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(33)和(36)的輸入端連接，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(33)和(36)的輸出端分別與光電耦合器(34)和(37)的發(fā)光二極管正極連接，光電耦合器(34)的硅光電三極管集電極與模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(28)的WR輸入端連接，并經(jīng)微分削波器(38)與計(jì)數(shù)器(35)的CP輸入端連接，光電耦合器(37)的硅光電三極管集電極經(jīng)微分削波器(39)與計(jì)數(shù)器(35)的地R輸入端連接，計(jì)數(shù)器(35)的輸出端與單片微機(jī)(29)的P2端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紅外反射水分計(jì)，其特征在于所述的測量裝置還設(shè)有數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(30)、運(yùn)算放大器(31)和電壓／電流變換器(32)，單片微機(jī)(29)的P1輸出端與數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(30)的輸入端連接，數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(30)的輸出端接運(yùn)算放大器(31)的輸入端，運(yùn)算放大器(31)輸出端與電壓／電流轉(zhuǎn)換器(32)輸入端連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種測量固體物料水分的紅外反射水分計(jì)，包括光源、單色器、光路裝置及測量裝置，采用近紅外輻射能量被物料吸收、反射后再經(jīng)單色器分光的雙光路裝置，可有效地減少外來光中紅外線對測量的干擾；采用單光源、單探測器、雙光路和三波長的結(jié)構(gòu)，可補(bǔ)償因環(huán)境溫度變化、光學(xué)元件老化或樣品背景變化引起的誤差；輔光路中采用光纜可使探頭設(shè)計(jì)布局靈活緊湊；濾光片盤上設(shè)采樣、復(fù)位標(biāo)志使本儀器便于實(shí)現(xiàn)微機(jī)化。
文檔編號G01N21/31GK2150555SQ9320706
公開日1993年12月22日 申請日期1993年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月26日
發(fā)明者李昶熹 申請人:核工業(yè)北京化工冶金研究院