RU2154811C2 - Электрическая схема блока обработки сигнала датчика интенсивности ультрафиолетового излучения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области измерения интенсивности УФ-излучения и может быть использовано для измерения и контроля интенсивности излучения источников УФ бактерицидного диапазона, применяемых в установках для обеззараживания и дезинфекции жидкостей. Технический результат, достигаемый за счет предлагаемой электрической схемы блока обработки сигнала, состоит в повышении точности измерения сигнала, более высокой надежности схемы при эксплуатации датчика, а также осуществлении возможности дистанционного контроля работы установки. Сущность: предлагаемая электрическая схема блока обработки сигнала датчика интенсивности ультрафиолетового излучения включает электрически связанные между собой фотоприемник, соединенный с входом первого операционного усилителя, сглаживающий фильтр, соединенный с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, индикатор интенсивности, подстроечный элемент, элемент выходного сигнала, стабилизатор напряжения, блок питания и разъем. Согласно изобретению в качестве компараторов используют микросхему, а в качестве подстроечного элемента - микросхему со встроенной энергонезависимой памятью, в качестве элемента выходного сигнала используют элемент коммутации с тремя уровнями срабатывания, в качестве индикаторов интенсивности - светодиоды, причем выход первого операционного усилителя через резистор и конденсатор соединен с его инверсным входом, на положительный вход первого операционного усилителя подается напряжение смещения с делителя напряжения, между контактами первого операционного усилителя через резистор включен цифровой потенциометр, средняя точка которого через сглаживающий фильтр соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а контакты регулировки цифрового потенциометра соединены с разъемом. Между выходом и инверсным входом второго операционного усилителя в обратной связи и между его инверсным и неинветирующим входом первого операционного усилителя включены резисторы, причем выход второго усилителя соединен с инвертирующим входом первого компаратора и неинвертирующими входами второго и третьего компараторов, вторые входы компараторов соединены с делителем напряжения, их выходы соединяются с контактами разъема, выход стабилизатора соединен со входами питания микросхем, вход стабилизатора соединен с разъемом, ко входу и выходу стабилизатора подключены фильтрующие конденсаторы, а общий провод схемы подключен к разъему. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области измерения интенсивности УФ-излучения и может быть использовано для измерения и контроля интенсивности излучения источников УФ бактерицидного диапазона, применяемых в установках для обеззараживания и дезинфекции жидкостей.

Бактерицидным действием обладает излучение на длине волны 240-280 нм. Эффективность воздействиия УФ-излучения на микроорганизмы определяется интенсивностью УФ-излучения, а также временем облучения. Произведение интенсивности излучения на время называется дозой облучения (мДж/см²) и является мерой бактерицидной энергии, получаемой микроорганизмами при прохождении через установку. Доза облучения является важнейшим параметром, определяющим эффективность работы установки и не должна быть ниже требуемого значения, необходимого для надежной дезинфекции воды в процессе работы установки. При загрязнении кварцевых чехлов УФ ламп или резком ухудшении качества воды происходит снижение интенсивности УФ-излучения и, следовательно, требуемой дозы облучения воды. Датчик интенсивности УФ-излучения предназначен для контроля за дозой облучения. Сигнал с фотоприемника датчика поступает в блок обработки сигнала, где преобразуется, анализируется и по нему осуществляется контроль за дозой облучения воды. При значении дозы ниже установленного предела подается звуковой или световой сигнал, по которому происходит перекрытие потока воды.

Известна схема блока обработки сигнала датчика интенсивности УФ-излучения, применяемого в УФ-установках дезинфекции воды (патент EP 0202891, C 02 F 1/32, 26.11.86). Принцип работы датчика основан на использование двух одинаковых фотоприемников, один из которых измеряет интенсивность излучения УФ лампы через кварцевое стекло, пропускающее излучение бактерицидного диапазона, а другой - через боросиликатное стекло, не пропускающее указанное излучение. Интенсивность излучения бактерицидного диапазона при этом пропорциональна разностному сигналу двух фотоприемников. Уровень интенсивности указывается стрелочным индикатором.

Электрическая схема блока обработки сигнала известного датчика интенсивности УФ-излучения предназначена для усиления разностного сигнала фотоприемников и включения реле в случае снижения интенсивности ниже необходимого уровня. Электрическая схема блока обработки сигнала известного датчика включает в себя фотоприемники (фотодиоды), подключенные ко двум входам дифференциального усилителя, на котором происходят вычитание и усиление разностного сигнала. Выход дифференциального усилителя через резистор подключен к стрелочному индикатору интенсивности излучения бактерицидного спектра и ко входу операционного усилителя с высоким коэффициентом усиления. Операционный усилитель служит для сравнения уровня полученного сигнала с эталонным напряжением, устанавливаемым с помощью резистора. При уровне сигнала ниже уровня эталонного напряжения выход операционного усилителя переходит в состояние, при котором срабатывает реле тревоги. В состав электрической схемы входят также подстроечные резисторы - для установки "нуля" дифференциального усилителя, для регулировки усиления дифференциального усилителя и установки показаний стрелочного индикатора, для установки порога переключения операционного усилителя и включения реле.

К недостаткам прототипа можно отнести наличие в схеме двух фотоприемников с различными температурными и временными зависимостями характеристик, что приводит к снижению точности показаний датчика. Различный материал стекол фотоприемников также снижает точность показаний датчика от времени. Использование резисторов в качестве подстроечных элементов значительно снижает вибростойкость схемы и ее устойчивость к условиям окружающей среды, что важно при эксплуатации установок УФ обеззараживания воды. Также известная схема требует сложной калибровки датчика, так как для этого используются три подстроечных элемента. Электрическая схема известного датчика не позволяет вынести индикатор интенсивности на большое расстояние от установки, что создает сложности при ее эксплуатации.

Технический результат, достигаемый за счет предлагаемой электрической схемы блока обработки сигнала, состоит в повышении точности измерения сигнала, более высокой надежности схемы при эксплуатации датчика, а также осуществлении возможности дистанционного контроля работы установки.

Электрическая схема блока обработки сигнала датчика интенсивности УФ-излучения включает в себя фотоприемник, соединенный со входом первого операционного усилителя, сглаживающий фильтр, соединенный с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, и электрически связанные между собой компаратор, индикатор интенсивности, подстроенный элемент, элемент выходного сигнала, стабилизатор напряжения, блок питания и разъем.

Согласно изобретению в качестве компараторов используют микросхемы, а в качестве подстроечного элемента используют микросхему со встроенной энергонезависимой памятью, в качестве элемента выходного сигнала используют элемент коммутации с тремя уровнями срабатывания, в качестве индикаторов интенсивности используют светодиоды, причем выход первого операционного усилителя через резистор и конденсатор соединен с его инверсным входом, на положительный вход первого операционного усилителя подается напряжение смещения с делителя напряжения, между контактами первого операционного усилителя через резистор включен цифровой потенциометр, средняя точка которого через сглаживающий фильтр соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а контакты регулировки цифрового потенциометра соединены с выходным разъемом, между выходом и инверсным входом второго операционного усилителя в обратной связи и между его инверсным и неинвертирующим входом первого операционного усилителя включены резисторы, выход второго усилителя соединен с инвертирующим входом первого компаратора и неинвертирующими входами второго и третьего компараторов, вторые входы компараторов соединены с делителем напряжения, а их выходы - с контактами разъема, выход стабилизатора соединен с входами питания микросхем, выход стабилизатора соединен с выходным разъемом, к входу и выходу стабилизатора подключены фильтрующие конденсаторы, а общий провод схемы подключен к разъему.

Вышеперечисленные существенные признаки связаны с достижением технического результата следующим образом:
использование одного датчика (вместо двух в прототипе) позволяет снимать непосредственно полезный, а не разностный сигнал, пропорциональный полезному, что существенно повышает точность измерений;
использование вместо дифференциального усилителя, требующего коррекции "О", операционного (DA1) позволяет повысить уровень усиления сигнала примерно в 10 раз без дополнительной коррекции "О";
в результате применения цифровой микросхемы со встроенной энергонезависимой памятью (DA2) вместо подстроечных резисторов увеличивается долговечность датчика, повышается его устойчивость к рабочей среде, а также обеспечивается надежность и стабильность сигнала включения светодиодов индикации аварийных режимов работы установки. Кроме того, появляется возможность дистанционной калибровки датчика при его полной сборке;
Использование в схеме компараторатора (DA4) и сигнальных светодиодов вместо стрелочного индикатора и транзистора позволяет производить индикацию работы датчика и, следовательно, режима работы установки в соответствии с уровнем измеренной интенсивности на расстоянии до 100 м от установки;
На фиг.1 представлена электрическая схема блока обработки сигнала датчика; на фиг.2 - блок-схема датчика УФ- интенсивности.

Ниже приводится более подробное описание электрической схемы блока обработки сигнала предлагаемого датчика УФ-излучения.

Алгоритм работы датчика основан на цветовой индикации. Если интенсивность излучения выше минимально допустимой более чем на 20%, горит светодиод зеленого цвета, что свидетельствует о нормальной работе установки. При интенсивности излучения выше минимально допустимой менее чем на 20% мигает предупредительный желтый светодиод. В том случае, если интенсивность излучения ниже минимально допустимой, мигает желтый и горит красный аварийный светодиод. Как указано на блок-схеме (фиг.2), сигнал с фотоприемника 1 поступает на входы преобразователя 2 тока в напряжение. Регулировка выходного напряжения и соответственно коэффициента усиления схемы производится цифровым потенциометром 3. Установленный коэффициент усиления хранится в энергонезависимой памяти потенциометра. С цифрового потенциометра сигнал поступает на усилитель 4 напряжения, который усиливает сигнал до уровня, необходимого для работы компараторов 5 схемы сравнения, которая сравнивает уровень сигнала с усилителя с эталонным уровнем и имеет три выхода типа "открытый коллектор", которые подключены к разъему 7. Стабилизированное питание всей схемы (+5В) поступает со стабилизатора 6 питания. На вход стабилизатора 6 с разъема 7 подается напряжение питания для работы всей электрической схемы датчика, которое может находиться в пределах +9...+25В.

В качестве фотоприемника используется фотодиод VD1 на основе SiC. Фотодиод VD1 включен по схеме источника тока с нулевым смещением. В такой схеме включения выходной ток фотодиода пропорционален интенсивности излучения, попадающего на фоточувствительную поверхность фотодиода в широком диапазоне. Преобразование тока в напряжение осуществляется на первом операционном усилителе DA1 (микросхема DA1 имеет в составе два одинаковых операционных усилителя). Резистор R1 и конденсатор C1 служат в качестве обратной связи преобразователя, номинал резистора задает коэффициент преобразования. Схема имеет однополярное питание, поэтому для работы преобразователя введено смещение напряжения на элементах R6, R7, R8, VD2 и VD3. То есть на входе операционного усилителя DA1/3 напряжение задано и равно примерно 1,2В. Таким образом, интенсивность излучения на фотоприемнике пропорционально напряжению между контактами DA1/3 и DA1/1. Для регулировки коэффициента усиления между этими контактами через резистор R3 включен цифровой потенциометр DA2. Резистор R3 уменьшает глубину регулировки коэффициента усиления и повышает точность этой регулировки. Регулировка выходного напряжения на средней точке потенциометра (DA2/6) осуществляется замыканием контактов DA2/2 и DA2/7 на "землю" (контакт DA2/5). Регулировка ступенчатая с градацией 1/64. После проведения регулировки значение ее автоматически запоминается во внутренней энергонезависимой памяти потенциометра DA2. Напряжение со средней точки потенциометра DA2/6 через сглаживающий пульсации фильтр R2C2 поступает на вход усилителя напряжения DA1/5 (второго операционного усилителя DA1). Коэффициент усиления задается резисторами R4 и R5. Напряжение между выходом усилителя (DA1/7) и напряжением смещения (DA1/3) пропорционально интенсивности излучения на фотоприемнике. Выход усилителя DA1/7 соединен с тремя входами трех компараторов микросхемы DA4. На другие входы компараторов подается эталонное напряжение с делителя, собранного на резисторах R6, R7 и R8. На компараторах микросхемы DA4 происходит сравнение выходного сигнала (и, соответственно, интенсивности излучения) с заданным уровнем. Делитель на резисторах R6, R7 и R8 задает два уровня напряжения, причем второй на 20% выше первого. В том случае, если уровень входного сигнала ниже обоих эталонных уровней, то включены выходы компараторов 2 (DA4/1) и 3 (DA4/14) ("открытый коллектор"). Если уровень входного сигнала находится между двумя эталонными уровнями, включен выход компаратора 2 (DA4/1). При превышении входного сигнала обоих эталонных уровней включается выход компаратора 1 (DA4/2), через выходной разъем к выходам компараторов подключаются светодиоды, к первому выходу (DA4/2) - "зеленый", к второму - (DA4/1) "желтый", к третьему (DA4/14) - "красный". Таким образом, всегда горит один из сигнальных светодиодов, что свидетельствует о работе датчика. Кроме упомянутых к преимуществам предложенной схемы блока обработки сигнала датчика УФ-излучения можно отнести следующие:
- схема имеет однополярное питание, уровень напряжения питания может меняться в широких пределах (+9...+25В), что упрощает применение датчика;
- в качестве выходного сигнала датчика используется ключевая схема с открытым коллектором, что позволяет выносить индикацию датчика на значительное расстояние без потери точности работы схемы даже при сильных промышленных электромагнитных полях;
- применение в схеме цифрового потенциометра позволяет проводить калибровку датчика (подстройка коэффициента усиления) при полной сборке датчика;
- отказ от механического потенциометра для регулировки коэффициента усиления повышает стабильность показаний во времени.

Claims (1)

1. Электрическая схема блока обработки сигнала датчика интенсивности ультрафиолетового излучения, включающая электрически связанные между собой фотоприемник, соединенный со входом первого операционного усилителя, сглаживающий фильтр, соединенный с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а также компаратор, индикатор интенсивности, подстроечный элемент, элемент выходного сигнала, стабилизатор напряжения, блок питания и разъем, отличающаяся тем, что дополнительно содержит два компаратора, в качестве компараторов используют микросхему, а в качестве подстроечного элемента используют микросхему со встроенной энергонезависимой памятью, в качестве элемента выходного сигнала используют элемент коммутации с тремя уровнями срабатывания, в качестве индикатора интенсивности используют светодиоды, причем выход первого операционного усилителя через резистор и конденсатор соединен с его инверсным входом, на положительный вход первого операционного усилителя подается напряжение смещения с делителя напряжения, между контактами первого операционного усилителя через резистор включен цифровой потенциометр, средняя точка которого через сглаживающий фильтр соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а контакты регулирования цифрового потенциометра соединены с разъемом, между выходом и инверсным входом второго операционного усилителя в обратной связи и между его инверсным и неинвертирующим входом первого операционного усилителя включены резисторы, причем выход второго усилителя соединен с инвертирующим входом первого компаратора и не инвертирующими входами второго и третьего компараторов, вторые входы компараторов соединены с делителем напряжения, их выходы соединяются с контактами разъема, выход стабилизатора соединен со входами питания микросхем, вход стабилизатора соединен с разъемом, ко входу и выходу стабилизатора подключены фильтрующие конденсаторы, а общий провод схемы подключен к разъему.

Images