专利名称：红外反射水分计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用光学方法测定物料成分的仪器，具体说是一种应用水对特定波长的近红外辐射能量的吸收、反射来测定物料水分的红外反射水分计。
在现有技术中，应用水对特定波长的近红外辐射能量的吸收、反射来测定物料水分的仪器可分两类，一类如U.S.P4097743所公开的一种水分分析装置，它采用的是双光路、先分光的技术方案，即装置中设有将光源近红外辐射能量引向被测物料并被其吸收、反射到探测器的主光路部件和将光源近红外辐射能量不经过被测物料吸收、反射直接引向探测器的辅光路部件，而且在近红外辐射能量被物料吸收、反射前用单色器分光；另一类如Measurex2238型红外反射水分计，则采用后分光的技术方案，即它在近红外辐射能量在被测物料吸收、反射后用单色器分光。上述两类仪器各有优缺点，前者因有辅光路装置，经单色器后增加了两个不经物料反射的内补偿信号，它们反映了入射光中测量波长和参比波长能量的大小，通过乘除器运算，可以消除由于环境温度变化、光学元件老化等引起的误差，温度稳定性好，但是由于采用了近红外辐射能量被物料吸收、反射前分光，这样，外来光中的近红外辐射能量可以不经过单色器直接经物料反射到探测器造成干扰，即使在探测器前再加一块阻可见光、透红外光的滤光片，但要满足高、低两种水分量程选择不同的测量波长及参比波长变化所需要的波段覆盖，其通带通常要宽达10000
，特别对于用交流供电含大量近红外辐射的白炽灯，影响更大。后者因采用近红外辐射能量被物料吸收、反射后分光的技术方案，外来光中的近红外辐射能量要经过窄带滤光片分光后才能到达探测器，故其对仪器测量干扰小，因而仪器的探头可在任意方向上安装，其缺点是由于采用了两个探测器，当环境温度变化时，两个探测器的性能变化难以做到完全一致，为了减少误差，两探测器的温度变化要求严格控制在0.005℃以内。
本实用新型的目的是提供一种温度稳定性好、对外来光中近红外辐射干扰小的红外反射水分计。
为实现上述目的，本实用新型采用双光路、后分光的技术方案。具体说，一种红外反射水分计包括光源、单色器、探测器、将光源的光束引向被测物料吸收、反射到探测器的主光路装置、将光源的光束直接引向探测器的辅光路装置，以及与探测器连接的测量装置，所说的光源底座连接在中心轴水平的抛物面反射镜上；所说的主光路装置包括设在光源正前方与抛物面反射镜中心轴夹角为45°的中心开有小孔的平面反射镜、水平安装在该平面反射镜正下方的光窗玻璃、水平安装在该平面反射镜正上方的凸球面反射镜、以及水平安装在凸球面反射镜正上方的中心开有圆孔的凹球面反射镜；所说的单色器设在凹球面反射镜和探测器之间，单色器的滤光片盘上安装有三块彼此分隔为120°的单色滤光片，其穿透波长分别为测量波长λm，第一参比波长λr1和第二参比波长λr2，而且λr2－λm＝λm－λr1；所说的辅光路装置是由设置在单色器滤光片盘上、下侧的两根光缆对合而成。
本实用新型用一个探测器，按时间分割方式顺序接收三束来自同一光源经被测物料吸收、反射后经单色器分光后的光和另外三束直接来自光源而不经过被测物料吸收、反射经单色器分光的光。设Vm、Vr1和Vr2及V′m、V′r1和V′r2分别表示上述前三束光和后三束光对应的放大器输出电压，则可写出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)上述诸式中，Im、Ir1和Ir2分别为光源灯泡发出的光中具有测量波长λm、第一参比波长λr1和第二参比波长λr2的辐射通量；α为入射光中到达被测物料的辐射通量比率；α′为入射光中到达辅光路的辐射通量比率；βm、βr1和βr2分别为被测物料对测量波长、第一和第二参比波长的反射系数；γ为反射光中到达探测器的光通量比率；Km、Kr1和Kr2分别为水对测量波长、第一和第二参比波长的吸收系数，Km＞＞Kr1或Kr2；M为物料的水分值；Tm、Tr1和Tr2分别为测量波长、第一和第二参比波长滤光片中心透过波长的透过率；δm、δr1和δr2分别为探测器对测量波长、第一和第二参比波长的光电转换率；A。为放大器的放大倍数。本仪器中把E＝Vr1·V′m÷Vm·V′r1＋Vr2·V′m÷Vm·V′r2(7)作为衡量被测物料水分的尺度，用(1)～(6)式代入(7)，则得到E＝［βr1(1－Kr1M)＋βr2(1－Kr2M)］／βm(1－KmM) (8)由此可见，仪器测得值仅与被测物料水分值M和被测物料对测量波长、第一参比波长和第二参比波长的反射系数βm、βr1和βr2有关，与灯泡、探测器、滤光片、放大器等技术特性的变化无关，也就是说，它对温度不敏感。
通常Km＞＞Kr1或Kr2，当满足KmM＜＜1时，(8)式可写成E≈(βr1＋βr2)(1＋KmM)／βm (9)故仪器测得值与物料水分值M呈线性关系。因λr2－λm＝λm－λr1，则被测物料背景发生倾斜时，可认为(βr1＋βr2)／βm＝［(βr＋Δ)＋(βr－Δ)］／βm近似保持不变，故仪器测得值对被测物料背景变化不敏感。
综上所述，本实用新型采用单光源、单探测器、双光路和三波长的结构，可补偿因环境温度变化、装置的光学元件老化或样品背景变化所引起的测量误差，因而在不加任何恒温条件下，仪器稳定性好；采用近红外辐射能量被物料吸收、反射后再分光可有效地减少外来光中红外线对测量的干扰；辅光路中采用光缆传送光信号可以使仪器探头内各部件布局灵活、紧凑；还可在滤光片盘上贴上能反射红外光的铝箔作为采样和复位标志，配以采样和复位传感器可以使仪器便于实现微机化。
本实用新型有下列附图
图1为本实用新型所提供的红外反射水分计结构示意图；图2为单色器滤光片盘示意图；图3为传感器信号时序图；图4为测量装置示意图。
现结合附图和实施例对本实用新型作具体描述如图1所示，一种红外反射水分计包括光源灯泡1、由滤光片盘7和滤光片20组成的单色器、硫化铅探测器8、主光路装置、辅光路装置，以及与探测器8连接的测量装置。光源灯泡1底座连接在中心轴水平的抛物面反射镜2上。主光路装置包括设在光源灯泡1正前方与抛物面反射镜2的中心轴夹角为45°的中心开有小孔的平面反射镜3、水平安在该平面反射镜3正下方的光窗玻璃21、水平安在该平面反射镜3正上方的凸球面反射镜6，以及水平安在凸球面反射镜6正上方的中心开有圆孔的凹球面反射镜5。本实施例中，在光源灯泡1的正前方设一与抛物反射镜2中心轴垂直的侧面开有圆形开口的空心圆筒26，在空心圆筒26内，位于圆形开口处安装一中心开有小孔的椭圆形平面反射镜3，光窗玻璃21和凸球面反射镜6分别安在空心圆筒26的底部和顶部。单色器是由滤光片盘7和安装在该盘上的单色滤光片20组成，滤光片盘7由同步电机12驱动，其转速为500转／分，滤光片盘7设在凹球面反射镜5和探测器8之间，盘7上安装有三块彼此分隔120°的单色滤光片20(见图2)，其穿透波长分别为λm、λr1和λr2，其中λm为对水敏感的测量波长，λr1和λr2为对水不敏感的第一参比波长和第二参比波长，而且λr2－λm＝λm－λr1。所说的辅光路装置是由设置在滤光片盘7上、下两侧的光缆10和9对合而成，光缆9的始端插入平面反射镜3的中心小孔中，其末端及光缆10的始、末端分别插入固紧装置15、16和17的中心孔内进行定位，固紧装置15和16的中心孔的中心连线为辅光轴，固紧装置17的安装位置能在垂直方向进行调整。从光源灯泡1发出的光经抛物面反射镜2反射后变成平行光，经平面反射镜3转90°后穿过光窗玻璃21射到被测物料4，被它吸收、反射后的光再经光窗玻璃21、由凹球面反射镜5会聚后，再经凸球面反射镜6反射，穿过凹球面反射镜5的中心圆孔，在滤光片20上聚焦，上、下两光锥中心线为主光轴。当某一块滤光片切入主光轴时，具有该滤光片中心透过波长的光能够透过它到达探测器8，构成主光路。来自光源灯泡1的入射光中一小部分通过平面反射镜3的中心小孔和光缆9被引到滤光片盘7下面与主光轴相对称的位置上，当某一滤光片切入辅光轴时，具有该滤光片中心透过波长的光能够透过它，并通过光缆10和安装在探测器8前侧的平面反射镜11反射到探测器8上，构成辅光路。在滤光片盘7的盘面上，主光轴、辅光轴和滤光片盘7中心轴线与盘面的三个交点位于该盘的同一直径上。如图2所示，在滤光片盘7的不同半径的圆周上分别贴有能反射红外光的铝箔18和19，作为发出采样和复位脉冲的识别标志。其中铝箔18有六块，它们的中心线之间的相交角为60°，铝箔19一块。在滤光片盘7的上方与铝箔18和19相对应的径向距离处分别设有采样传感器13和复位传感器14，它们均为由红外发光二极管和硅光电三极管组成的光电开关。当铝箔18或19转到采样传感器13或复位传感器14下面时，使传感器13或14发出采样或复位脉冲，如图3所示。探测器8交替地接收来自主、辅光路的光信号，因滤光片盘7上装有三块滤光片20，装置上有主、辅两个光轴，故滤光片盘7每旋转一周，探测器8能接收到六个脉冲。所以本实用新型具有单光源、单探测器、双光路、三波长、六光束的特点。
如图4所示，测量装置包括隔离型仪表放大器27、模／数转换器28、单片微机29、双稳态触发器33和36，由发光二极管和硅光电三极管组成的光电耦合器34和37，微分削波器38和39，三位二进制计数器35，以及数／模转换器30、运算放大器31和电压／电流转换器32，探测器8的输出端与放大器27的输入端连接，放大器27的输出端与模／数转换器28的输入端ViN连接，模／数转换器28的输出端INTR与单片微机29输入端INTI连接，单片微机29的RD输出端与模／数转换器28的RD输入端连接，传感器13和14的硅光电三极管输出端分别与双稳态触发器33和36的输入端连接，双稳态触发器33和36的输出端分别与光电耦合器34和37的发光二极管正极连接，光电耦合器34的硅光电三极管集电极与模／数转换器28的WR端连接，并经微分削波器38与计数器35的CP端连接，光电耦合器37的硅光电三极管的集电极经微分削波器39与计数器35的R输入端连接，计数器35的输出端与单片微机29的P2端连接，单片微机29的P1输出端与数／模转换器30的输入端连接，数／模转换器30的输出端接运算放大器31的输入端，运算放大器31的输出端接电压／电流转换器32的输入端。探测器8输出的信号经隔离型仪表放大器27放大后，送到模／数转换器28输入端ViN。当采样传感器13下面有铝箔进入时，其硅光电三极管输出采样脉冲电流去触发双稳态触发器33，其输出电流驱动光电耦合器34中的发光二极管，该耦合器34中的硅光电三极管集电极输出负脉冲至模／数转换器28的WR输入端，使其开始进行模／数转换，另一方面，该负脉冲通过微分削波器38输至三位二进制计算器35的CP输入端，使其计数，其输出与单片微机29的P2口相连。一旦转换结束，模／数转换器28的INTR输出端输出一个转换结束信号至单片微机29的中断输入端INTI，使其RD输出端向模／数转换器28的RD发出“读”信号，通过P0端口把模／数变换器28输出的数字量输出到计数器35所对应的随机存贮器中某一地址单元中去。此时，如果铝箔18还未移出传感器13，WR端信号始终保持“0”电平，上述变换过程会接连不断地进行着，即紧挨着第一次变换出的数据在随机存贮器中的存贮地址，存贮着第二次模／数变换器输出的数据；紧挨着第二次变换出的数据在随机存贮器中的存贮地址，又存贮着第三次模／数变换输出的数据，以此类推，直到铝箔18离开传感器13为止。接着微机29在软件控制下对上述几个地址中的数据进行数字滤波，剔除随机误差大的数据，求出其平均值后再将它传送到另外指定的地址单元中去。当复位传感器14下面有铝箔19进入时，其硅光电三极管输出复位脉冲电流去触发双稳态触发器36，其输出电流驱动光电耦合器37中的发光二极管，该光电耦合器37中的硅光电三极管的集电极输出负脉冲至计数器35的R复位输入端，使该计数器35复位。在软件控制下，微机29从各指定的地址单元中取出诸平均值
和
进行运算，得出被测物料水分，即水分百分比＝A＋B(
)其中A和B两个常数在仪器标定时可通过回归运算算出，存贮在随机存贮器指定的地址单元中。微机29算出的代表水分百分比的数据从其P口输至数／模变换器30，由运算放大器31输出模拟量电压，再经电压／电流变换器32变成标准的4～20mA信号，作为本仪器模拟输出，用以使控制器对生产过程实现在线控制。
本实用新型可用于测量粉状、粒状、片状、纤维状以及小块状各种固体物料中的水分，能广泛应用于陶瓷、烟草、化工、水泥、医药、造纸、冶金、木材加工、粮食加工和矿物加工等工业，其测量结果与物料装填密度、料层厚度和物料温度无关，特别适用于传送带上固体物料的在线无接触连续测量，并能给控制系统提供准确的信号，以提高产品质量，减少能耗。
权利要求1.一种红外反射水分计，包括光源灯泡(1)，由滤光片盘(7)和滤光片(20)组成的单色器，硫化铅探测器(8)，将光源灯泡(1)的光束引向被测物料(4)吸收、反射到探测器(8)的主光路装置，将光源灯泡(1)的光束直接引向探测器(8)的辅光路装置，以及与探测器(8)连接的测量装置，其特征在于光源灯泡(1)的底座连接在中心轴水平的抛物面反射镜(2)上，主光路装置包括设在光源灯泡(1)正前方与抛物面反射镜(2)中心轴夹角为45°的中心开有小孔的平面反射镜(3)、水平安装在该平面反射镜正上方和正下方的凸球面反射镜(6)和光窗玻璃(21)、以及水平安装在凸球面反射镜(6)正上方的中心开有圆孔的凹球面反射镜(5)，单色器设在凹球面反射镜(5)和探测器(8)之间，单色器的滤光片盘(7)上安装有三块彼此分隔为120°的单色滤光片(20)，其穿透波长分别为测量波长λm、第一参比波长λγ1和第二参比波长λγ2，而且λγ2-λm=λm-λγ1，辅光路装置是由设置在滤光片盘(7)上、下两侧的光缆(10)和(9)对合而成。
2.根据权利要求1所述的一种红外反射水分计，其特征在于所说的滤光片盘(7)上不同半径圆周上分别贴有铝箔(18)和(19)，铝箔(18)共六块，它们中心线之间的相交角为60°，铝箔(19)为一块，在滤光片盘(7)的上方与铝箔(18)和(19)相对应的径向距离处分别设有由红外发光二极管和硅光电三极管组成的采样传感器(13)和复位传感器(14)，传感器(13)和(14)分别与测量装置连接。
3.根据权利要求2所述的一种红外反射水分计，其特征在于所述的测量装置包括隔离型仪表放大器(27)、模／数转换器(28)、单片微 机(29)、双稳态触发器(33)和(36)，由发光二极管和硅光电三极管组成的光电耦合器(34)和(37)，微分削波器(38)和(39)，以及三位二进制计数器(35)，探测器(8)的输出端与放大器(27)的输入端连接，放大器(27)的输出端与模／数转换器(28)的输入端ViN连接，模／数转换器(28)的输出端INTR与单片微机(29)输入端INTI连接，单片微机(29)的RD输出端与模／数转换器(28)的RD输入端连接，传感器(13)和(14)的硅光电三极管输出端分别与双稳态触发器(33)和(36)的输入端连接，双稳态触发器(33)和(36)的输出端分别与光电耦合器(34)和(37)的发光二极管正极连接，光电耦合器(34)的硅光电三极管集电极与模／数转换器(28)的WR输入端连接，并经微分削波器(38)与计数器(35)的CP输入端连接，光电耦合器(37)的硅光电三极管集电极经微分削波器(39)与计数器(35)的地R输入端连接，计数器(35)的输出端与单片微机(29)的P2端连接。
4.根据权利要求3所述的一种红外反射水分计，其特征在于所述的测量装置还设有数／模转换器(30)、运算放大器(31)和电压／电流变换器(32)，单片微机(29)的P1输出端与数／模转换器(30)的输入端连接，数／模转换器(30)的输出端接运算放大器(31)的输入端，运算放大器(31)输出端与电压／电流转换器(32)输入端连接。
专利摘要本实用新型公开一种测量固体物料水分的红外反射水分计，包括光源、单色器、光路装置及测量装置，采用近红外辐射能量被物料吸收、反射后再经单色器分光的双光路装置，可有效地减少外来光中红外线对测量的干扰；采用单光源、单探测器、双光路和三波长的结构，可补偿因环境温度变化、光学元件老化或样品背景变化引起的误差；辅光路中采用光缆可使探头设计布局灵活紧凑；滤光片盘上设采样、复位标志使本仪器便于实现微机化。
文档编号G01N21/31GK2150555SQ9320706
公开日1993年12月22日 申请日期1993年3月26日 优先权日1993年3月26日
发明者李昶熹 申请人:核工业北京化工冶金研究院