RU2112956C1

RU2112956C1 - Optoelectronic device for identification and flaw detection

Info

Publication number: RU2112956C1
Application number: RU97101991A
Authority: RU
Inventors: Борис Владимирович Скворцов; Максим Олегович Куляс; Николай Евгеньевич Конюхов; Ростислав Львович Васильев; Евгений Петрович Пендюхов; Евгений Александрович Забойников; Игорь Ростиславович Васильев; Сергей Александрович Матюнин
Original assignee: Борис Владимирович Скворцов; Максим Олегович Куляс; Николай Евгеньевич Конюхов; Ростислав Львович Васильев; Евгений Петрович Пендюхов; Евгений Александрович Забойников; Игорь Ростиславович Васильев; Сергей Александрович Матюнин
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 1998-06-10

Abstract

FIELD: instrumentation, flaw detection, identification and analysis of liquid and gaseous substances, for instance, motor fuels by octane number, percentage of sulfur, cetane, cancerogenic components. SUBSTANCE: base radiation cell 7 is filled with gasoline with known octane number and known chemical composition. Tested gasoline is poured into working radiation cell 6. Light formed by source 1 and optical system 2, 3, 4. 5 passes tested and base products, light guides 10, 11 and hits slit diaphragm 12. Since output butts of light guides 10 and 11 are spaced apart so two diaphragmed light fluxes are formed across output of diaphragm 12. One of them corresponds to base product and the other one to tested product. Optical fluxes hit through lens 13 dispersing element 14 which disintegrates each flux into set of spectral bands by wave lengths entering radiation source 1. Sets of spectral bands is projected by lens 15 on to matrix photodetector 14. Signal of photodetector matrix is processed by device 17. In same manner gasoline or any other oil product may be identified and analyzed for content of sulfur and other components. In this case only processing programs should be changed. EFFECT: enhanced working reliability of optoelectronic device. 3 cl, 4 dwg

Description

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. The invention relates to the field of instrumentation, as well as flaw detection and can be used for identification, analysis and flaw detection of solid, liquid and gaseous substances, for example, motor fuels, by octane number, sulfur, cetane, carcinogenic components, as well as the presence of mechanical impurities and particles.

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]. Known optoelectronic devices and methods for the analysis of motor fuels built on the basis of spectrophotometric analysis, which measure the absorption of the investigated fuel electromagnetic radiation at different frequencies in the wavelength range of 0.8 - 2.6 μm [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. The disadvantages of analogues are low accuracy associated with the use of only one wavelength in the design of the emitter or filter [1, 3], or low speed and reliability associated with the use of complex, precision optical systems using mechanically moving nodes [6, 7, 11] , which makes it difficult to use them in workshop conditions.

Изобретение направлено на повышение точности идентификации, анализа и дефектоскопии разнообразных веществ, в частности моторных топлив, при сохранении высокого быстродействия. The invention is aimed at improving the accuracy of identification, analysis and flaw detection of a variety of substances, in particular motor fuels, while maintaining high speed.

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<L-2d,
где
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.The solution to this problem is achieved by the fact that in a device containing a light source with an optical system, an exemplary and working irradiation cell connected by optical fibers to an optical signal processing device containing a photodetector, according to the invention, the optical fiber outputs are connected to a slit diaphragm, the output of which through a dispersing device connected to an optical signal processing device made in the form of an array multi-element photodetector, and between the output ends of the optical fibers there is a gap defined by the relation
2a <s <L-2d,
Where
s is the gap between the fibers; a is the minimum size of one element of the photodetector matrix; L is the length of the slit; d is the diameter of the output ends of the optical fibers. In this case, a television camera can be used as a photodetector, and cells of impaired total internal reflection or aero-hydro-optical crosses, the optical inputs of which are connected to the gap of the optical fibers, and the aero-hydrodynamic inputs are connected to the stream under study, can be used as radiation cells.

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. The proposed device differs from the known ones in that the output ends of the optical fibers are not connected to the photodetector, but to the slit diaphragm, the output of which through the dispersing device is connected to the optical signal processing device, and the output ends of the optical fibers are spaced apart by a distance determined from relation (1). Due to this, two light transmission or light reflection spectra (depending on the design of the irradiation cells) of the studied and basic objects are simultaneously formed on the same photodetector matrix, thereby achieving a positive effect. According to the authors, the presence of these distinctive features in the aggregate gives a significant difference between the proposed device from the known.

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. In FIG. 1 shows a diagram of the proposed device; in FIG. 2 is a layout diagram of the output ends of the optical fibers in front of the slit diaphragm; in FIG. 3 - arrangement of spectra on a photodetector array; in FIG. 4 is a schematic design of an aero-hydro-optical cross.

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. The device contains a white light source 1, an optical system consisting of reflective prisms 2, 3 and lenses 4, 5, forming a luminous flux for the working 6 and base 7 radiation cells, into which the studied and basic (in particular case, exemplary) products are placed. The outputs of the irradiation cells through the focusing lenses 8 and 9 are connected to the inputs of the optical fibers 10, 11, the outputs of which are connected to the slotted diaphragm 12. Moreover, the output ends of the optical fibers are spaced, and the distance between them is selected from relation (1), as shown in FIG. 2. The exit of the slit diaphragm through the lens 13 is optically connected to a dispersing device 14, which can be performed either on the basis of a diffraction grating or on the basis of a refractive prism. The output of the dispersing device through the focusing lens 15 is optically connected to the matrix photodetector 16, the output of which is connected to the processing device 17.

Работу устройства проиллюстрируем на примере анализа нефтедуктов, в частности, в режиме идентификации бензина по октановому числу. We illustrate the operation of the device using an example of the analysis of oil products, in particular, in the identification mode of gasoline by octane number.

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. Gasoline with a known octane number and a known chemical composition inherent in the oil of the region from which the gasoline under study is made is poured into the base irradiation cell 7. The investigated gasoline is poured into the working cell of irradiation 6. The light generated by the source 1 and the optical system 2,3,4,5 passing through the studied and basic products, the optical fibers 10,11, fall on the slotted aperture 12. Since the output ends of the optical fibers 10 and 11 are specially spaced, then at the output of the aperture 12 two diaphragmed light fluxes, one of which corresponds to the base, and the other to the product under study. These optical streams through the lens 13 fall on the dispersing element 14, which decomposes each stream into a set of spectral components according to the wavelengths included in the radiation flux of the source 1. Each set of spectral components with a lens 15 is projected onto a photodetector 16, as shown in FIG. 3, where 1 - spectral decomposition obtained from the test product, and 2 - spectral decomposition from the base product. The signal received by the photodetector matrix is processed by the device 17, in particular by a universal computer, according to special spectral processing programs taking into account regional characteristics of hydrocarbon raw materials and a priori data on the relationship of the octane number with the spectral characteristics and chemical composition of gasoline. Similarly, it is possible to identify and analyze gasoline or any other petroleum product, for example, for the content of sulfur, cetane, aromatic hydrocarbons and other harmful and useful substances. In this case, only the processing program will change.

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. The presence of a basic irradiation cell with a product containing a known amount of identifiable substances allows not only calibrating the device, but also simplifying the process of writing processing programs, as well as easily adapting the device to specific regional characteristics of the hydrocarbon feed used by the refinery.

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. As the studied object can be a gaseous, liquid, solid or granular substance capable of transmitting or reflecting optical radiation, which will be determined only by the design of the irradiation cell. In particular, standard irradiated total internal reflection (ATR) cells [12] can be used as irradiation cells, which are produced by industry and have various design options for different aggregate states of the objects under study. These cells play the role of amplifier and inverter of the transmission or reflection spectrum.

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. Note that the proposed device can be used directly in the process pipe for operational control of the produced liquid or gaseous product. In this case, an aero-hydro-optical crosspiece can be used as an irradiation cell (Fig. 4), the optical inputs of which are included in the optical path, and the aero-hydrodynamic inputs - in the gap of the outlet of the process pipe. At the same time, the device itself can be in the laboratory under normal climatic conditions, and its connection with the crosspiece is carried out using a light guide. In this case, the base cell can be filled with an exemplary product or, if desired, installed at earlier stages of the technological process, for example, into a pipe with low-octane straight-run gasoline, in which the regional characteristics of hydrocarbons are most strongly manifested.

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. With an appropriate design of the irradiation cell and the optical path, the device can be used for flaw detection and identification of transparent or reflective objects, such as crystals or jewelry.

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. Note that a standard camera can be used as a matrix photodetector, which will simplify the design process of the device and use standard equipment for inputting images into a computer.

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. Thus, the proposed technical solution can significantly improve the accuracy of identification and flaw detection, as well as expand the functionality of the device both in comparison with direct absorption methods and with purely spectrometric methods using classical spectrometers, since here two spectra are formed simultaneously on the same photodetector array from the base and from the studied objects, which makes it easy to take into account all the features of the object, conduct ongoing calibration, and carry fiction and flaw detection of objects in various aggregate states.

Источники информации. Sources of information.

1. Решение о выдаче патента по заявке N 95102799/25 от 27.02.95. 1. The decision to grant a patent on the application N 95102799/25 of 02.27.95.

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

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

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

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

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

7. Авт.св. SU N 1780407, кл. G 01 N 21/25, 1995. 7. Auto SU N 1780407, CL 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. 8. Lang G.A. Measure the most important parameters of gasoline using an analyzer in the near infrared region of the spectrum. Oil and gas technology N 9-10, 1994

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

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

11. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. М.:МГУ, 1986 г. 11. Lebedeva V.V. The technique of optical spectroscopy. M.: Moscow State University, 1986

12. Н.Харрик. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир, 1970 г. 12. N. Harrick. Spectroscopy of internal reflection. M .: Mir, 1970

Claims

1. An optoelectronic device for identification and defectoscopy, comprising a light source with an optical system, an exemplary and working irradiation cell connected by optical fibers to an optical signal processing device containing a photodetector, characterized in that the outputs of the optical fibers are connected to a slit diaphragm, the output of which through a dispersive the device is connected to an optical signal processing device made in the form of an array multi-element photodetector, and between the output ends of the optical fibers tsya gap defined by the relation
2a <S <L - 2d,
where S is the gap between the fibers;
a is the minimum size of one element of the photodetector matrix;
L is the length of the slit;
d is the diameter of the output ends of the optical fibers.

2. The device according to claim 1, characterized in that a television camera is used as a photodetector.

3. The device according to claim 1, characterized in that the cell of the disturbed total internal reflection is used as the irradiation cell.

4. The device according to claim 1, characterized in that an aero-hydro-optical cross is used as the working radiation cell, the light inputs of which are included in the optical path, and the aero-hydrodynamic inputs are connected to the stream under study.