專利名稱：高精度紅外水份儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及水份儀，尤其是涉及高精度紅外水份儀。
水對某些特定波長的紅外光有較強的吸收特性，紅外水份儀就是利用這種特性來測量物質(如物料、食品、紙張、紡織等)中的水份含量。
在上述這類測量中，通常需要特定波長的單色光作為光源，這種單色光通常須利用帶通濾光片對全色光濾光獲得。為了改善測量儀器的穩(wěn)定性，一般還須采用斬光裝置，將單色光變成交變光，投射到被測對象。
目前所采用的紅外水份儀的斬光盤上設有的光窗和濾光片的形狀通常為圓形或矩形(以下稱圓形結構，矩形結構)，光源發(fā)出的全色光，經(jīng)透鏡準直后，交替射向轉動中的濾光片，經(jīng)斬光與濾光后的光為數(shù)束交替投射到被測對象的單色光，它們部分透過被測對象或被測對象反射后，為檢測器所檢測，再經(jīng)信號處理裝置處理，通過檢測器這數(shù)束光的衰減特性，即可確定被測對象中水份的含量。
本實用新型的目的是提供一種信號強、信噪比高的高精度紅外水份儀。
為了達到上述目的，本實用新型采取下列措施，在光盤上設有的光窗和濾光片為扇形結構。
本實用新型的優(yōu)點是(1)信號強；(2)信噪比高；(3)顯著減少因斬光盤轉速或信號采樣定時不準所引起的誤差的影響；(4)體積小，重量輕，可靠性好。
以下結合附圖作詳細說明。
圖1是高精度紅外水份儀結構示意圖2是采用2片濾光片時檢測器的輸出信號波形；圖3是采用2片濾光片(圓形)時的斬光與濾光結構示意圖；圖4是采用2片濾光片(扇形)時的斬光與濾光結構示意圖；高精度紅外水份儀，它具有電機3，斬光盤4，斬光盤上設有光窗和濾光片，光源1發(fā)出的全色光經(jīng)透鏡2和轉動的濾光片后，成為單色光進入導光筒7，投射到被測對象11，在球面反射鏡8、9的作用下，部分透過被測對象的單色光為檢測器10所檢測，再經(jīng)信號處理裝置12處理，特征是斬光盤上設有的光窗和濾光片為扇形結構。扇形結構的光窗和濾光片的兩條直線成為折線狀或弧狀。光窗和濾光片數(shù)量為2或大于2。
圖2示出了采用2片濾光片時檢測器的輸出信號波形，圖中ur(t)和um(t)分別表示二波長參比測量技術中的參考波帶信號和組分敏感波帶信號，則ur(t)=uor(1-e-tr/τ)----(1)]]>um(t)=uom(1-e-tm/τ)----(2)]]>式中tr和tm分別表示相應于參考波帶信號和組分敏感波帶信號從零電壓值開始增大，到采樣時刻的時間間隔，tr1和tm1分別表示ur(t)和um(t)到達最大值時tr和tm值；τ為檢測器10的時間常數(shù)。為了減小儀器和被測對象中其它因素對測量的影響，通常采用所謂參比技術進行測量，即以比值r＝ur(tr)/um(tm)作為測量值，參見圖3(圖中虛線圓表示導光筒內(nèi)徑投影)，理想情況有tr1＝tm1＝β/(2πf) (3)tr＝tm≤β/(2πf)(4)其中f表示斬光盤的轉速，β表示測量光束通過光窗和濾光片時的有效轉角，它表示斬光與濾光單元上相應于從導光筒內(nèi)圓孔剛剛全部進入光窗到導光筒內(nèi)圓孔開始被斬光盤遮擋時的轉角。然而，實際應用時，由于電機轉速等的變化和信號采樣時刻的誤差，將導致tr≠tm，tr1≠tm1，若設tr＝tm＋Δt，則由此引起的比值r的相對誤差er為er=ur(tr)/um(tm)-ur(tr)/um(tr)ur(tr)/um(tr)----(5)]]>通常Δt/τ＜＜1，則er≈Δtτ(etm/τ-1)----(6)]]>可見er隨Δt，亦即轉速f的變化增大而成比例增大；對于一定的Δt和τ，tm越大，er越小，故此時er的最小值發(fā)生在tm＝tm1時，其值為er1er1=Δtτ(etm1/τ-1)----(7)]]>以圓形結構為例，如圖3示，有β≈(D-d)/a (8)其中d和D分別表示導光筒內(nèi)圓孔直徑和斬光盤光窗的直徑(與濾光片的外徑近似相等)，a為光窗中心到斬光盤中心的距離。結合式(3)，(6)和(8)知，轉速f一定時，減小測量誤差er1的有途徑是增大有效角β，即增大斬光盤光窗的外徑(亦即濾光片的直徑)D。
圖3示出了使用2片濾光片時，在斬光盤外徑D0一定前提下，可以安裝的最大濾光片尺寸(實際應用時要小于圖示尺寸)，即可獲得的最大有效角β。圖中用剖面線表示了濾光片上未被利用的區(qū)域?？梢姡幢焕脜^(qū)域的面積的比例較大，且隨D的增大而增加，這樣勢必增加了高速轉動的斬光與濾光單元的重量，亦即增加了微型電機的負載，這意味著斬光與濾光單元體積的增大和儀器可靠性的降低，顯然這是有害的。
此外，為了提高測量精度，必須提高檢測器的信噪比，為此通常使檢測器(如PbS檢測器)工作在較低的溫度下，但這樣增大了檢測器的時間常數(shù)τ，故為增大檢測器輸出信號幅度和減小斬光盤轉速變化的影響，更需要較大的有效角β，顯然在這種情況下，上述圓形和矩形結構的缺陷更為突出。
本實用新型所提出的斬光與濾光結構的基本思想是將斬光盤上的光窗和濾光片的形狀設計成與其有效利用區(qū)域基本一致的扇形結構(以下簡稱為扇形結構)。對于使用2片濾光片時斬光盤與濾光片組的簡圖見圖4(其中虛線圓為導光筒內(nèi)徑的投影)，在此結構中幾乎除去了圓形和矩形結構中未被利用區(qū)域，因而，與傳統(tǒng)圓形和矩形結構相比，在斬光盤外型尺寸和斬光盤轉速f等一定時，這種扇形結構可以在保證濾光片重量較小的前提下，最大限度地增加了有效角β，亦即最大限度地減小了因斬光盤轉速或采樣時刻誤差等所引起的誤差，最大限度地增了圖2所示信號的幅度，有利于提高測量的信噪比和儀器測量精度，有利于改善儀器的可靠性。
表1列出了一組條件下(f＝50±2Hz，τ＝0.5ms，D0＝120mm，d＝10mm)，圓形結構與扇形結構的濾光片重量相等的前提下，分別采用這兩種結構時斬光與濾光單元的有效角和最大比值誤差er1值。
表1
這些結果是具有代表性的，從表1可見，比值測量誤差|er1|隨著有效角β增大而迅速減小，對于相同面積(即重量)的濾光片，扇形結構的有效角β比圓形結構(實際上也比矩形結構)要大，且當濾光片的面積增大時，扇形結構的有效角增大的速度較圓形和矩形結構大得多。換言之，在濾光片面積(即重量)相等或斬光盤外徑相等前提下，使用扇形結構較傳統(tǒng)結構的比值誤差小，尤其是當β較大時，這種差異更大。如表1所示，當扇形結構的β為60°時，其比值誤差不到相等面積(即重量)圓形結構的1/10。
不難理解，當檢測器的時間常數(shù)τ較大時，為獲得較大的測量信號幅度(見圖2)和較小的比值測量誤差，必須要有較大的有效角β，使用上述扇形結構較傳統(tǒng)結構還有體積小，重量輕，可靠性高等優(yōu)點。
權利要求1.一種高精度紅外水份儀，它具有電機[3]，斬光盤[4]，斬光盤上設有光窗和濾光片，光源[1]發(fā)出的全色光經(jīng)透鏡[2]和轉動的濾光片后，成為單色光進入導光筒[7]，投射到被測對象[11]，在球面反射鏡[8]、[9]的作用下，部分透過被測對象的單色光為檢測器[10]所檢測，再經(jīng)信號處理裝置[12]處理，其特征在于所說的斬光盤上設有的光窗和濾光片為扇形結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高精度紅外水份儀，其特征在于所說扇形結構的光窗和濾光片的兩條直線成為折線狀或弧狀。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種高精度紅外水份儀，其特征在于所說光窗和濾光片數(shù)量為2或大于2。
專利摘要本實用新型公開了一種高精度水份儀，它具有電機，斬光盤，斬光盤上設有光窗和濾光片。光源發(fā)出的全色光經(jīng)透鏡和轉動的濾光片后，成為單色光進入導光筒，投射到被測對象，在球面反射鏡的作用下，透過被測對象的部分單色光為檢測器所檢測，再經(jīng)信號處理裝置處理。特征是斬光盤上設有的光窗和濾光片為扇形結構。本實用新型信號強，信噪比高，體積小，重量輕，可靠性好。
文檔編號G01N21/00GK2259626SQ9522734
公開日1997年8月13日 申請日期1995年11月24日 優(yōu)先權日1995年11月24日
發(fā)明者劉錫輝, 孫優(yōu)賢 申請人:浙江大學