СПОСОБ КОНТРОЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ВЕЩЕСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD FOR MONITORING OF GASEOUS SUBSTANCE PRESSURE AND DEVICE FOR THIS METHOD REALISATION

Настоящее изобретение направлено на обладающий новизной способ и устройство, и на различные их варианты осуществления - для контролирования давления газообразного вещества. Разработка изобретения вызвана необходимостью обеспечения быстрого контролирования содержания кислорода в закрытых контейнерах, таких как стеклянные или пластмассовые ампулы, например, для медицинских применений.
Согласно первому аспекту первого осуществления способа согласно настоящему изобретению контролирования газообразного вещества до максимального заданного значения давления этот способ включает в себя выполнение следующих этапов:
- пропускают через данное газообразное вещество лазерное излучение;
- периодически модулируют длину волны лазерного излучения в диапазоне длин волн, содержащем, по меньшей мере, одну линию поглощения данного газообразного вещества;
- оптико-электрическими средствами преобразуют пропускаемое лазерное излучение, тем самым формируя электрический выходной сигнал,
и также предусматривает, по меньшей мере, один этап из числа следующих этапов:
** первая фильтрация электрического выходного сигнала преобразования с такой характеристикой фильтра, которая имеет более низкую частоту среза фильтра, которая не ниже переходной частоты, и
** вторая фильтрация электрического выходного сигнала преобразования с такой характеристикой полосы пропускной способности фильтра, которая имеет более высокую частоту среза, не более высокую, чем переходная частота, и с нижней частотой среза выше частоты периодической модуляции длины волны.
При этом переходную частоту в спектре электрического выходного сигнала преобразования определяют там, где каустическая функция зависимых от давления огибающих спектра данного электрического выходного сигнала достигает огибающей спектра при максимальном давлении.
Выходной сигнал упомянутой, по меньшей мере, одной фильтрации оценивают как сигнал, характеризующий давление.
В одном из вариантов осуществления выполняют обе фильтрации, например, первую и вторую фильтрации.
В одном из вариантов осуществления первую фильтрацию выполняют как полосовую фильтрацию.
В одном из вариантов осуществления первую фильтрацию выполняют с более низкой частотой среза, которая превышает упомянутую переходную частоту.
Согласно еще одному варианту осуществления первую фильтрацию выполняют как полосовую фильтрацию и определяют частоту фильтра выше нижней частоты среза упомянутой первой фильтрации, при этом производные зависимой от давления амплитуды спектра электрического выходного сигнала преобразования, по меньшей мере, приблизительно согласуются с требуемой характеристикой. Полосовую первую фильтрацию осуществляют с заданной частотой фильтра в качестве полосовой средней частоты.
Согласно еще одному варианту осуществления первую фильтрацию выполняют как полосовую фильтрацию и ширину полосы частот этой полосовой фильтрации выбирают для обеспечения требуемого отношения сигнал-шум.
Согласно еще одному варианту осуществления первую фильтрацию выполняют как полосовую фильтрацию и требуемую чувствительность выходного сигнала полосовой первой фильтрации реализуют с учетом шума, и выполняют следующие этапы, по одному или несколько, одновременно, циклами:
(а) Частоту фильтра определяют выше нижней частоты среза первой фильтрации, при этом производная зависимой от давления амплитуды спектра электрического выходного сигнала преобразования, по меньшей мере, приблизительно соответствует требуемой характеристике. Полосовую среднюю частоту упомянутой полосовой первой фильтрации устанавливают на определяемой таким образом частоте фильтра.
(б) Ширину полосы частот полосовой первой фильтрации выбирают для требуемого отношения сигнал-шум.
Согласно еще одному варианту осуществления способа в соответствии с данным изобретением выбирают верхнюю частоту среза второй фильтрации ниже упомянутой переходной частоты.
Согласно еще одному варианту осуществления способа в соответствии с данным изобретением вторую фильтрацию выполняют со средней частотой, причем производная зависимой от давления амплитуды спектра электрического выходного сигнала, по меньшей мере, приблизительно соответствует требуемой характеристике.
Согласно еще одному варианту осуществления способа в соответствии с данным изобретением вторую фильтрацию выполняют с шириной полосы частот, выбранной для требуемого отношения сигнал-шум.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения выполняют вторую фильтрацию, реализуя требуемую чувствительность выходного сигнала упомянутой второй фильтрации с учетом шума путем выполнения следующих этапов последовательно сразу или циклами неоднократно:
(а) Определяют среднюю частоту второй фильтрации, причем производная зависимой от давления амплитуды спектра электрического выходного сигнала преобразования, по меньшей мере, приблизительно соответствует требуемой характеристике, и
(б) подстраивают (регулируют) ширину полосы частот второй фильтрации для требуемого отношения сигнал-шум.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения обеспечен способ контролирования давления газообразного вещества в заданных пределах значений давления, т.е. между максимальным значением давления и минимальным значением давления. Причем согласно этому способу
* через газообразное вещество пропускают лазерное излучение;
* периодически модулируют длину волны лазерного излучения в полосе длины волны, включающей в себя, по меньшей мере, одну линию поглощения данного газообразного вещества;
- оптико-электрическими средствами преобразуют пропускаемое лазерное излучение, тем самым формируя электрический выходной сигнал,
* затем осуществляют, по меньшей мере, один этап из числа следующих:
** первая фильтрация электрического выходного сигнала преобразования с характеристикой фильтра, которая имеет нижнюю частоту среза фильтра, которая не ниже переходной частоты, и
** вторая фильтрация электрического выходного сигнала преобразования с характеристикой полосового фильтра, которая имеет верхнюю частоту среза не более высокую, чем переходная частота, и с нижней частотой среза выше частоты периодической модуляции длины волны.
При этом определяют упомянутую переходную частоту в спектре электрического выходного сигнала преобразования, причем огибающие спектра электрического выходного сигнала при минимальном и максимальном значениях давления пересекаются.
Затем оценивают выходной сигнал, по меньшей мере, одной из числа упомянутых первой и второй фильтраций как сигнал, характеризующий давление.
Согласно одному варианту осуществления изобретения выполняют и первую, и вторую фильтрации.
- в соответствии со вторым аспектом.
Согласно еще одному варианту осуществления второго аспекта изобретения первую фильтрацию выполняют как полосовую фильтрацию.
Согласно еще одному варианту второго аспекта настоящего изобретения первую фильтрацию осуществляют с нижней частотой среза, которая выше переходной частоты.
Согласно второму аспекту еще одного варианта осуществления изобретения выполняют первую фильтрацию как полосовую фильтрацию между переходной частотой и предельной частотой шума. Определяют предельную частоту шума; причем энергия шума электрического выходного сигнала преобразования равна энергии сигнала этого электрического выходного сигнала при предварительно заданном значении минимального давления.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения выбирают полосовую первую фильтрацию, при которой разность энергий в фильтрованном спектре электрического выходного сигнала между прилагаемыми максимальным давлением и минимальным давлением становится максимальной.
Еще один вариант осуществления согласно второму аспекту изобретения предусматривает выбор полосовой первой фильтрации при том условии, что энергия шума электрического выходного сигнала, при которой фильтрация является эффективной, становится самое большее равной энергии сигнала при предварительно заданном максимальном значении давления.
Согласно еще одному варианту осуществления этого второго аспекта верхнюю частоту среза второй фильтрации выбирают ниже переходной частоты.
Еще один вариант осуществления согласно второму аспекту изобретения предусматривает выполнение второй фильтрации, при этом разница энергий в спектре электрического выходного сигнала преобразования является максимумом между приложением максимального значения давления и минимальным значением давления, которые оба установлены для диапазона давления, контролируемого согласно второму аспекту изобретения.
Согласно третьему аспекту настоящее изобретение предусматривает способ контролирования давления газообразного вещества, согласно которому
- пропускают через указанное газообразное вещество лазерное излучение;
- периодически модулируют длину волны лазерного излучения в полосе длин волн, содержащей, по меньшей мере, одну линию поглощения данного газообразного вещества;
- оптико-электрическими средствами преобразуют пропускаемое лазерное излучение, тем самым формируя электрический выходной сигнал;
- вводят сигнал, который зависит от электрического выходного сигнала преобразования, по меньшей мере, в первый и второй параллельный канал контролирования давления газа;
- в первом канале осуществляют первую фильтрацию и во втором канале осуществляют вторую фильтрацию;
- осуществляют первую фильтрацию, и при этом ее выходной сигнал изменяется с первой характеристикой в зависимости от давления упомянутого газообразного вещества;
- осуществляют вторую фильтрацию, и при этом ее выходной сигнал изменяется со второй характеристикой как функция упомянутого давления газообразного вещества;
- также осуществляют упомянутые первую и вторую фильтрации, и при этом первая характеристика становится отличающейся от второй характеристики.
Из объединенных сигналов, которые зависят от выходных сигналов первой и второй фильтраций, оценивают сигнал, характеризующий давление.
В варианте осуществления этого третьего аспекта изобретения: выполняют, по меньшей мере, либо первую, либо вторую фильтрацию в качестве полосовой фильтрации.
В варианте осуществления этого третьего аспекта изобретения первую и вторую фильтрации выполняют в неперекрывающихся частотных областях спектра электрического выходного сигнала.
В еще одном варианте осуществления согласно этому третьему аспекту изобретения первую и вторую фильтрации выполняют как полосовую фильтрацию.
В еще одном варианте осуществления согласно третьему аспекту настоящего изобретения первую и вторую фильтрации выполняют в соответствующих первом и втором частотных диапазонах, причем энергия электрического выходного сигнала имеет первую характеристику зависимой от давления энергии в первом частотном диапазоне и имеет вторую характеристику зависимой от давления энергии во втором частотном диапазоне; причем первая и вторая энергетические характеристики отличаются друг от друга.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения во всех его аспектах обеспечивают предварительно запомненную первую эталонную характеристику, которая является первой характеристикой, и/или предварительно запоминают вторую эталонную характеристику, которая является второй характеристикой. Упомянутые характеристики являются характеристиками, согласно которым выходной сигнал соответствующей фильтрации изменяется в зависимости от давления контролируемого данного газообразного вещества.
Затем мгновенные сигналы, зависящие от сигналов первой и/или второй фильтраций, соответственно, сравнивают с запомненными первой и второй эталонными характеристиками, при этом формируют первый и второй сигналы, характеризующие давление. Мгновенные преобладающие результаты фильтрации сравнивают с предварительно заданными характеристиками зависимого от давления сигнала, чтобы установить из преобладающих сигналов значение давления, которому они соответствуют.
Согласно еще одному варианту осуществления третьего аспекта настоящего изобретения, но также применительно и к первому и второму аспектам, первая фильтрация формирует первый выходной сигнал, который имеет первые производные в зависимости от давления в предварительно заданных пределах давления. Вторая фильтрация формирует второй выходной сигнал, который имеет вторые производные в зависимости от давления в упомянутом предварительно заданном диапазоне давления. При этом абсолютные значения одной из упомянутых первой и второй производных являются меньшими, чем абсолютные значения другой из упомянутых производных, по меньшей мере, в одном общем поддиапазоне давления предварительно заданного диапазона давления. Упоминая производные сигнала, авторы намеренно не учитывают отношение сигнал-шум, который делает значения производной произвольными.
Согласно еще одному варианту осуществления третьего аспекта настоящего изобретения, но также применительно к изобретению в соответствии с первым и вторым аспектами изобретения вторая фильтрация формирует второй выходной сигнал, который имеет только положительные или отрицательные зависимые от давления производные в заданном диапазоне давления.
Первая фильтрация формирует первый выходной сигнал с первыми зависимыми от давления производными, которые только положительные, по меньшей мере, в одном поддиапазоне давления и которые являются только отрицательными, по меньшей мере, в одном втором поддиапазоне упомянутого заданного диапазона давления. При этом абсолютные значения вторых производных меньше, по меньшей мере, в одном из упомянутых поддиапазонов давления, чем абсолютные значения первых производных, также учитываемых в упомянутых, по меньшей мере, одном из поддиапазонов, и также без учета шума.
Согласно варианту осуществления именно в соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения один из поддиапазонов давления определяют из сигнала, зависящего от второго выходного сигнала второй фильтрации.
Согласно еще одному варианту осуществления сигнал, характеризующий давление, определяют из этого поддиапазона давления и из первого выходного сигнала, т.е. первой фильтрации.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения еще один вариант осуществления включает в себя этапы, согласно которым
- предварительно определяют максимальное давление, которое подлежит контролю;
- выполняют, по меньшей мере, один из следующих этапов:
** осуществляют вторую фильтрацию с характеристикой полосы пропускной способности фильтра, которая имеет верхнюю частоту среза не выше переходной частоты и которая имеет нижнюю частоту среза выше частоты модуляции периодической модуляции длины волны, и
** осуществляют первую фильтрацию с характеристикой фильтра, которая имеет нижнюю частоту среза фильтра не ниже переходной частоты.
Тем самым упомянутую переходную частоту определяют в спектре электрического выходного сигнала, в котором каустическая функция зависимых от давления огибающих спектра электрического выходного сигнала достигает огибающей спектра при максимальном давлении.
При этом в одном из вариантов осуществления выполняют и первую, и вторую фильтрации.
Согласно еще одному из вариантов осуществления первую фильтрацию выполняют как полосовую фильтрацию.
Согласно еще одному варианту осуществления первую фильтрацию выполняют с нижней частотой среза фильтра, более высокой, чем переходная частота.
Согласно еще одному из вариантов осуществления первую фильтрацию выполняют как полосовую фильтрацию и определяют частоту фильтра, которая выше нижней частоты среза первой фильтрации, при этом производная зависимой от давления амплитуды спектра электрического выходного сигнала преобразования, по меньшей мере, приблизительно согласуется с требуемой характеристикой. Затем полосовую первую фильтрацию осуществляют с определенной частотой фильтра в качестве полосовой средней частоты.
Согласно еще одному из вариантов осуществления выполняют первую фильтрацию как полосовую фильтрацию, при этом выбирают ширину полосы частот полосовой первой фильтрации, для достижения требуемого отношения сигнал-шум.
Согласно еще одному из вариантов осуществления выбирают верхнюю частоту среза второй фильтрации ниже переходной частоты.
Согласно еще одному из вариантов осуществления выполняют вторую фильтрацию со средней частотой, при этом производная зависимой от давления амплитуды спектра электрического выходного сигнала, по меньшей мере, приблизительно соответствует требуемой характеристике.
Согласно еще одному из вариантов осуществления выполняют вторую фильтрацию с шириной полосы частот для требуемого отношения сигнал-шум.
Согласно еще одному из вариантов осуществления выполняют вторую фильтрацию и реализуют требуемую чувствительность выходного сигнала второй фильтрации с учетом шума при выполнении следующих этапов, последовательно или неоднократно одним или несколькими циклами:
а) определяют среднюю частоту второй фильтрации, при этом производная зависимой от давления амплитуды спектра электрического выходного сигнала, по меньшей мере, приблизительно соответствует требуемой характеристике, и
б) подстраивают (регулируют) ширину полосы частот второй фильтрации для требуемого отношения сигнал-шум.
В соответствии с третьим аспектом варианта осуществления изобретения предусматривают выполнение следующих этапов:
* контролирование в предварительно заданном диапазоне давления между минимальным значением давления и максимальным значением давления;
* выполнение, по меньшей мере, одного из следующих этапов:
** вторая фильтрация с характеристикой полосы пропускной способности фильтра, имеющей верхнюю частоту среза не выше переходной частоты и имеющей нижнюю частоту среза выше частоты модуляции периодической модуляции длины волны;
** первая фильтрация с характеристикой фильтра, имеющей нижнюю частоту не ниже переходной частоты;
- при этом переходную частоту определяют в спектре электрического выходного сигнала; причем огибающие спектра электрического выходного сигнала при упомянутом минимальном значении давления и упомянутом максимальном значении давления пересекаются.
Еще один вариант осуществления содержит выполнение и первой, и второй фильтраций. Согласно еще одному варианту осуществления выполняют первую фильтрацию как полосовую фильтрацию.
Еще один вариант осуществления содержит выполнение первой фильтрации с нижней частотой среза, которая выше упомянутой переходной частоты. Согласно еще одному варианту осуществления первую фильтрацию выполняют между переходной частотой и предельной частотой шума. Предельной частотой шума является энергия шума электрического выходного сигнала, равная энергии сигнала электрического выходного сигнала при упомянутом минимальном значении давления.
Согласно еще одному варианту осуществления полосовую первую фильтрацию выбирают такой, чтобы разница энергий в фильтруемом спектре электрического выходного сигнала между приложением максимального значения давления и минимального значения давления стала максимальной.
Согласно еще одному варианту осуществления выбирают полосовую первую фильтрацию, согласно следующему ограничению: энергия шума электрического выходного сигнала, при которой первая фильтрация является эффективной, является самое большее равной энергии сигнала при предварительно заданном максимальном давлении.
Согласно еще одному варианту осуществления верхнюю частоту среза второй фильтрации выбирают ниже упомянутой переходной частоты.
Согласно еще одному варианту осуществления вторую фильтрацию выполняют, когда разница энергий в спектре электрического выходного сигнала преобразования между приложением максимального предварительно заданного значения давления и минимального предварительно заданного значения давления является максимальной.
Согласно еще одному варианту осуществления во всех трех аспектах данного изобретения контролируемым газообразным веществом является кислород.
Согласно еще одному варианту осуществления во всех трех аспектах данного изобретения формируют эталонный сигнал, характеризующий давление, путем контролирования в соответствии с настоящим изобретением при заданном давлении газообразного вещества.
Согласно еще одному варианту осуществления формируют получаемый в результате сигнал, характеризующий давление, в зависимости от разности эталонного сигнала, характеризующего давление, и сигнала, характеризующего давление.
Согласно еще одному варианту осуществления, в соответствии со всеми аспектами настоящего изобретения контролируют пропускную способность лазерного излучения по пути, на котором находится данное газообразное вещество или на которую подается газообразное вещество, и при этом формируют сигнал, характеризующий пропускную способность. Затем выполняют взвешивание сигналов, от которых зависит сигнал, характеризующий давление в зависимости от сигнала, характеризующего пропускную способность.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения во всех его аспектах также обеспечивают газ с данным газообразным веществом, по меньшей мере, в одном контейнере, прозрачном для упомянутого лазерного излучения.
Согласно еще одному варианту осуществления упомянутый контейнер обеспечивают и контролируют в атмосферном воздухе.
Согласно еще одному варианту осуществления контролирование пропускной способности пути прохождения лазерного излучения предусматривает упомянутый прозрачный контейнер; при этом формируют сигнал, характеризующий пропускную способность. Затем выполняют взвешивание сигналов, от которых зависит сигнал, характеризующий давление, в зависимости от сигнала, характеризующего пропускную способность.
Согласно еще одному варианту осуществления обеспечивают третий параллельный канал в качестве калибровочного канала, и в упомянутом калибровочном канале формируют упомянутый сигнал, характеризующий пропускную способность.
Согласно еще одному варианту осуществления эталонный сигнал формируют при осуществлении контролирования, согласно настоящему изобретению, эталонного контейнера с предварительно заданным количеством указанного газообразного вещества, при этом получаемый в результате сигнал, характеризующий давление, формируют в зависимости от разницы указанного эталонного сигнала и сигнала, характеризующего давление.
Согласно еще одному варианту осуществления проверяют достоверность сигнала, характеризующего давление.
Согласно еще одному варианту осуществления контролируют давление кислорода в упомянутых контейнерах.
Согласно еще одному варианту осуществления упомянутые контейнеры наполнены продукцией.
Согласно еще одному варианту осуществления упомянутые контейнеры выполнены по существу из стекла или пластмассового материала. При этом согласно еще одному варианту осуществления эти контейнеры являются ампулами.
Согласно еще одному варианту осуществления контейнер, в котором контролируют содержание газообразного вещества, является одним из множества контейнеров, транспортируемых к, мимо и от упомянутого контролирования.
Согласно еще одному варианту осуществления контролируемый контейнер и пропускаемое через него лазерное излучение во время контролирования перемещаются синхронно.
Согласно еще одному варианту осуществления последовательно контролируют давление газообразного вещества во множестве контейнеров, транспортируемых последовательно к, мимо и от контролирования; при этом формируют эталонный сигнал, характеризующий давление, за счет контролирования, по меньшей мере, одного эталонного контейнера с заданным количеством контролируемого газообразного вещества - до контролирования одного контейнера из множества контейнеров. При этом формируют получаемый в результате сигнал, характеризующий давление, в зависимости от эталонного сигнала, характеризующего давление, и сигнала, характеризующего давление.
При этом согласно одному из вариантов осуществления эталонный сигнал, характеризующий давление, формируют каждый раз до контролирования одного контейнера из множества контейнеров.
Согласно еще одному варианту осуществления эталонные сигналы, характеризующие давление, от последовательного контролирования эталонных контейнеров с предварительно заданным количеством газообразного вещества усредняют и упомянутую разницу определяют в зависимости от результата этого усреднения.
Настоящее изобретение также предусматривает способ изготовления закрытых, возможно наполненных контейнеров, пропускающих лазерное излучение и с предварительно заданным максимальным количеством кислорода; причем согласно упомянутому способу изготовления изготавливают закрытые, возможно заполненные и прозрачные контейнеры, и контролируют давление газообразного вещества в этих контейнерах согласно вышеизложенному и согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, и отбраковывают контейнеры, если сигнал, зависимый от сигнала, характеризующего давление, характеризует давление кислорода в этом контейнере выше заданного максимального значения.
Настоящее изобретение также обеспечивает устройство для реализации настоящего изобретения в соответствии со всеми аспектами способа согласно настоящему изобретению.
В отношении контролирования давления кислорода можно соблюдать следующие правила выбора параметров.
ZII,
C
Средняя частота второй полосы фильтрации, fпо отношению к частоте модуляции длины волны лазерного излучения, f:
ZII
C
10≤f/f≤20
ZI,
C
Средняя частота полосы пропускной способности, применяемой для первой фильтрации, fпо отношению к частоте модуляции длины волны лазерного излучения, f:
ZI
C
50≤f/f≤120
Ширина полосы пропускной способности второй фильтрации по отношению к частоте модуляции:
II
C
1≤В/f≤18
I
C
Ширина полосы пропускной способности полосовой первой фильтрации, В, по отношению к частоте, f, модуляции:
I
C
50≤В/f≤1000
Отклонение Н модуляции длины волны лазера:
По меньшей мере, 5 промилле, при этом предпочтительно:
50 пм≤Н≤500 пм.
Причем лазер, который может быть применен для настоящего изобретения, является вертикальным резонаторным лазером поверхностного излучения.
Изобретение излагается с помощью примеров и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 упрощенно и схематически показывает устройство согласно настоящему изобретению и для выполнения способа контролирования согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 - качественная характеристика, по оси длины волны: линии поглощения данного газообразного вещества для пояснения модуляции длины волны согласно настоящему изобретению;
Фиг.3 - спектры поглощения газообразного вещества в виде кислорода, при разных давлениях;
Фиг.4 - качественная характеристика спектра электрических сигналов, формируемых в результате оптико-электрического преобразования согласно настоящему изобретению;
Фиг.5 - качественная характеристика огибающих спектров согласно Фиг.4 для разных значений давления газообразного вещества;
Фиг.6 - качественная характеристика огибающих спектров согласно Фиг.4 для разных давлений газообразного вещества, определяющих каустическую функцию;
Фиг.7 - аналогия Фиг.6, поясняющая определение переходной частоты с помощью каустической функции;
Фиг.8 - схематически и с пояснением качественных характеристик показывает первую фильтрацию согласно настоящему изобретению в одной области частот относительно переходной частоты, в соответствии с Фиг.7;
Фиг.9 - упрощенная функциональная блок-схема, показывающая оценку результатов фильтрации согласно Фиг.8;
Фиг.10 - качественная характеристика примера прохождения выходного сигнала варианта осуществления согласно Фиг.9, в зависимости от контролируемого давления;
Фиг.11 - схематически в виде прохождения сигнала/функциональной блок-схемы прохождения сигнала показывает оценку сигнала, характеризующего давление, согласно настоящему изобретению, и с фильтрацией в соответствии с Фиг.9;
Фиг.12 - схематически и с отображением качественных характеристик показывает вторую фильтрацию согласно настоящему изобретению во второй области частот по отношению к переходной частоте, определяемой согласно Фиг.7;
Фиг.13 - упрощенное схематическое, в виде функциональной блок-схемы, представление выполнения фильтрации согласно Фиг.12;
Фиг.14 - пример качественной характеристики зависимости выходного сигнала варианта осуществления согласно Фиг.13, из контролируемого давления;
Фиг.15 - упрощенно и схематически, в виде функциональной блок-схемы прохождения сигнала, показывает оценку сигнала, характеризующего давление, в результате фильтрации согласно Фиг.13;
Фиг.16 - еще один вариант осуществления настоящего изобретения, согласно которому фильтрация в соответствии с Фиг.8 и фильтрация согласно Фиг.12 используются в комбинации;
Фиг.17 - качественная характеристика спектральных огибающих согласно Фиг.4 для разных значений давления: в целях пояснения настройки полосового фильтра согласно Фиг.8;
Фиг.18 - в представлении согласно Фиг.17: настройка полосового фильтра согласно Фиг.12;
Фиг.19 - также оценка параметров по давлению: качественная характеристика спектральных огибающих согласно Фиг.4 в соответствии со вторым аспектом изобретения для определения переходной частоты;
Фиг.20 - аналогично Фиг.8: настройка первой фильтрации в области частот выше переходной частоты, определяемой согласно Фиг.19;
Фиг.21 - аналогично Фиг.9: фильтрация согласно Фиг.20;
Фиг.22 - пример качественной характеристики зависимости от давления газообразного вещества выходного сигнала варианта осуществления согласно Фиг.21;
Фиг.23 - аналогия Фиг.11: оценка результата фильтрации согласно Фиг.21 для формирования сигнала, характеризующего давление;
Фиг.24 - аналогия Фиг.12: представление второй фильтрации в области частот ниже переходной частоты, определяемой согласно Фиг.19;
Фиг.25 - аналогия Фиг.13: упрощенная блок-схема выполнения фильтрации согласно Фиг.24;
Фиг.26 - аналогия Фиг.15: упрощенно и в виде функциональной блок-схемы прохождения сигнала показана оценка фильтрации согласно Фиг.25 для формирования сигнала, характеризующего давление;
Фиг.27 - качественные характеристики примера зависимости выходного сигнала согласно варианту осуществления, представленному на Фиг.25, от давления;
Фиг.28 - еще один вариант осуществления настоящего изобретения на основе переходной частоты, определяемой в соответствии с Фиг.19: комбинирование фильтраций согласно Фиг.20 и 24 для оценки сигнала, характеризующего давление;
Фиг.29 - схематически и упрощенно: осуществление двойного параллельного измерительного канала согласно варианту настоящего изобретения;
Фиг.30 - результат контролирования давления кислорода в соответствии с вариантом осуществления согласно Фиг.29 в одном диапазоне давления;
Фиг.31 - в представлении согласно Фиг.30: результаты во втором диапазоне давления;
Фиг.32 - в представлении согласно Фиг.30 и 31: результаты контролирования в большем диапазоне давления;
Фиг.33 - функциональная блок-схема прохождения сигнала, являющаяся частью блока оценки согласно настоящему изобретению, с использованием траекторий сигналов, показываемых, например, на Фиг.32;
Фиг.34 - максимально упрощенное представление устройства согласно настоящему изобретению, функционирующее согласно способу настоящего изобретения для проверки газового содержимого прозрачных закрытых контейнеров в потоке;
Фиг.35 - вариант упрощенной функциональной блок-схемы прохождения сигнала, в блоке оценки, и
Фиг.36 - вариант изображаемого на Фиг.34 устройства согласно настоящему изобретению.
5
7
7
7
Фиг.1 показывает с помощью функциональной блок-схемы принципиальную конструкцию системы контролирования согласно настоящему изобретению для контролирования давления газообразного вещества. Система содержит лазерное устройство 1, генерирующее лазерный луч В, пропускаемый через образец 3 газа, содержащего газообразное вещество, давление которого контролируется. Лазерный луч В, пропускаемый через образец 3 газа, принимается на оптическом входе оптико-электрического преобразователя 5 и преобразуется в электрический сигнал S, который оперативно направляется на вход Е блока 7 оценки. Выходной сигнал S на выходе А блока 7 оценки является сигналом, характеризующим давление, который характеризует давление газообразного вещества в образце 3 газа.
L
С
рр
L
С
Lо
рр
Лазерное устройство 1 выполнено с возможностью его модулирования по отношению к λизлучения луча В. Согласно схематическому изображению на Фиг.1 можно предположить, что оно имеет вход М регулирования длины волны, к которому оперативно подключен модулирующий генератор 9. Генератор 9 формирует периодический модулирующий сигнал во вход М лазерного устройства 1 на частоте f с максимальным значением уровня от пика к пику, равным А. При этом луч В с длиной волны λ модулируется по длине волны с частотой f около значения λ, с величиной отклонения модуляции Н, зависимой от А.
abs
Фиг.2 показывает качественную характеристику линии поглощения E(G) контролируемого газообразного вещества G. Лазерное устройство 1 уже модулировано по длине волны, и поэтому величина Н отклонения модуляции содержит, по меньшей мере, одну из линий поглощения газообразного вещества, согласно Фиг.2, например, только одну линию поглощения.
Показываемая на Фиг.2 линия поглощения является спектром поглощения, показываемым на Фиг.3. Показан пример газообразного вещества, давление которого контролируется, именно - кислород: спектры поглощения при давлении 200 мбар (а), 75 мбар (b) и 40 мбар (с) образца, содержащего только указанное газообразное вещество.
Спектр поглощения и его зависимость от давления на примере кислорода представлены на Фиг.3 в виде его качественной характеристики и свойств, имеющихся в большинстве видов газообразного вещества.
5
С
C
5
При модуляции длины волны лазерного луча В согласно Фиг.1 и Фиг.2 и при пропускании лазерного луча В через образец 3 газа согласно Фиг.1, имеющей спектр поглощения согласно Фиг.3: преобразованный сигнал S имеет дискретный энергетический спектр, качественные характеристики которого показаны на Фиг.4. Имеется обычно относительно высокая спектральная линия на нулевой частоте, когда составляющая постоянного тока заменяется при повышающейся частоте спектральной линией на частоте f модуляции лазерного луча и частотами f более высокого порядка. Дискретный энергетический спектр сигнала S определяет спектральную огибающую EN - как показано в виде качественной характеристики на Фиг.4 на примере газообразного вещества, например кислорода.
На Фиг.5 показана зависимость давления р огибающей EN, т.е. EN(р), где огибающая согласно (а) соответствует спектру (а) поглощения 200 мбар согласно Фиг.3, и, соответственно, огибающие (b) и (с) - соответствующим спектрам поглощения (b) и (с) согласно Фиг.3. Следует отметить, что спектры и, соответственно, их огибающие EN(p) согласно Фиг.4 и 5 имеют логарифмическую масштабную инвариантность энергии по вертикальной оси, например, согласно логарифму энергии сигнала и энергии шума в дБ.
increase
Согласно Фиг.6: показано, с точки зрения качественной характеристики, множество огибающих EN(p), оценка параметров давлением р данного газообразного вещества в образце 3 газа; причем стрелка «p» показывает образование огибающих с увеличением давления р данного газообразного вещества. Совокупность всех огибающих EN определяет производящая функция СА, с которой соприкасается каждая огибающая совокупности EN. Эта функция СА названа каустической функцией.
5
Авторы данного изобретения исследовали свойство сигнала S в зависимости от давления р указанного газообразного вещества в образце 3 газа Фиг.1 и определили спектральный режим в зависимости от давления в приводимых здесь примерах, не претендуя на научную точность.
7
Этот основной принцип использовался авторами разными способами, примеры которых приводятся ниже, с целью формирования на выходе блока 7 оценки согласно Фиг.1 сигнала S, характеризующего давление.
max
Tmax
max
max
Tmax
Tmax
max
5
С
Tmax
max
5
Согласно первому аспекту настоящего изобретения и согласно Фиг.7 авторы определили, что при контролировании давления указанного газообразного вещества до максимального давления р переходная частота f имеет важное значение. Если согласно Фиг.6 выбрать максимальное давление p, до которого будет контролироваться давление р указанного газообразного вещества, то, согласно Фиг.7, геометрическое место, в котором огибающая EN(р) касается каустической функции СА в спектральном представлении, определяет упомянутую переходную частоту f. В обеих областях частоты I выше f и II ниже T, зависимость давления S согласно Фиг.1 является определенной. При этом следует отметить, что частота f модуляции практически всегда ниже f, особенно для выбранных максимальных давлений p в практических условиях. Поэтому в первом варианте осуществления изобретения спектр S оценивается в первой упомянутой области I частот, для формирования сигнала, характеризующего давление.
Следует отметить, что в общем подразумевается «область» частот, если имеется в виду односторонний открытый диапазон частот, и «полоса» частот упоминается в связи с двухсторонним закрытым диапазоном частот.
I
Согласно Фиг.8 в одном варианте осуществления оценивается только область I частот, т.е. с частотой f
Tmax
I
F≤f
Tmax
I
Tmax
FI
I
max
например, путем обеспечения высокочастотного фильтра с нижней частотой среза не ниже переходной частоты f. Таким образом, блок 7 оценки согласно Фиг.1 содержит, по меньшей мере, согласно Фиг.9 узел F фильтра, действующий в области I частот в качестве низкочастотного фильтра с нижней частотой среза не ниже переходной частоты f. Пример зависимости от давления р выходного сигнала S узла F фильтра до максимального контролируемого давления р качественно показан, в виде качественной характеристики, на Фиг.10. Энергия и давление линейно масштабированы в произвольных единицах.
FIref
I
FIa
I
I
а
7
Путем предварительного запоминания характеристики сигнал-давление - согласно Фиг.11, обозначенной как S - в запоминающем устройстве 11, например, в справочной таблице; путем сравнения фактического выходного сигнала S узла F фильтра c этой характеристикой в блоке 13 сравнения: фактическая величина давления р, показанная пунктиром на Фиг.10, оценивается как сигнал, характеризующий давление. Этот сигнал можно непосредственно использовать как выходной сигнал S блока 7 оценки.
Tmax
С
С
Во втором варианте осуществления изобретения и согласно Фиг.7 используется область II нижней частоты, которая фактически является полосой частоты. Фильтрацию осуществляют согласно Фиг.12 фильтром с верхней частотой среза не выше переходной частоты f и с нижней частотой среза выше частоты f модуляции длины волны лазера. В этом варианте осуществления в качестве второй возможной фильтрации выполняют полосовую фильтрацию с характеристикой, имеющей верхнюю частоту среза не выше переходной частоты и нижнюю частоту среза выше частоты f модуляции периодической модуляции длины волны.
II
FII
7
FII
В этом варианте осуществления и согласно Фиг.13 блок 7 оценки содержит узел Fфильтра с характеристикой фильтра согласно Фиг.12, и формируют выходной сигнал S, в зависимости от которого формируют сигнал S, характеризующий давление. Здесь также сигнал Sуже как таковой является сигналом, характеризующим давление.
FII
FIIref
II
FIIref
II
FIIa
II
а
7
Аналогично Фиг.10 Фиг.14 показывает качественную зависимость выходного сигнала S от контролируемого давления р данного газообразного вещества в образце 3 газа Фиг.1. Полностью аналогично Фиг.11 и в соответствии с Фиг.15: для формирования сигнала, характеризующего фактическое давление образца газа - характеристику S выходного сигнала согласно Фиг.14 запоминают в запоминающем устройстве 11, например, в виде справочной таблицы. Эту характеристику S сравнивают - как схематически показано в виде блока 13 сравнения - c фактическим сигналом S, при этом формируя на выходе блока 13 сравнения сигнал согласно фактическому значению р давления в зависимости от сигнала S, характеризующего давление.
I
II
а
а
7
Согласно еще одному варианту осуществления скомбинированы варианты осуществления согласно Фиг.8-11, и Фиг.12-15. Это показано на Фиг.16 и здесь требуется только небольшое дополнительное пояснение в отношении соответствующего варианта осуществления с использованием одиночного фильтра. На выходе соответствующих блоков 13 и 13 сравнения сформированы сигналы, которые оба характеризуют фактически преобладающее давление р газообразного вещества в контролируемом образце газа. Но в соответствии с другим поведением характеристик на Фиг.10 и 14 избыточность наличия двух выходных сигналов, характеризующих одно и то же фактическое значение р давления, используется в вычислительном блоке 15, для повышения точности давления, представленного сигналом S, характеризующим давление.
FI
FII
Tmax
max
FI
Как правило, при оценке обоих областей частот I и II путем фильтрации, ведущей к двум разным зависимостям сигнала от давления согласно S и S - эти две характеристики могут быть разными в отношении, например, чувствительности (крутизна характеристики), неоднозначности, отношения сигнал-шум и пр. - становится возможным устранение недостатка одной характеристики, например, неоднозначности, за счет преимущества второй характеристики, например, однозначности, тем самым обеспечивая преимущество первой характеристики, например, высокую чувствительность, с исключением недостатков второй характеристики, например, низкой чувствительности. Таким образом, используя измерения фильтрации в двух областях частот - выше и ниже переходной частоты f - достигается высокая гибкость для формирования точного сигнала, характеризующего давление, с требуемыми характеристиками, которыми обычно будут: высокая чувствительность, однозначность и высокое отношение сигнал-шум. Согласно фильтрации в первой области I частоты в соответствии с Фиг.8, и как показано пунктирно-точечными линиями: один из вариантов выполнения этой первой фильтрации заключается в выполнении ее в виде полосовой фильтрации. Причина этого варианта следует из Фиг.6. Поскольку огибающая EN согласно выбранному максимальному давлению p пересекает нулевую линию в точке N на Фиг.6, поэтому энергия шума становится преобладающей. Поэтому за счет выполнения полосовой фильтрации в частотной области I энергия шума в сигнале S снижается.
I
I-
Tmax
II
II+
Tmax
I
ZI
Обращаясь к комбинированию фильтрации в первой частотной области I с фильтрацией во второй области II согласно варианту осуществления в соответствии с Фиг.16: разделение двух фильтров обеспечивается выполнением первой фильтрации F с нижней частотой fсреза, которая превышает переходную частоту f согласно Фиг.8, и/или выполнением второй фильтрации F, показанной пунктиром на Фиг.12 с верхней частотой f среза на частоте ниже переходной частоты f. Если первая фильтрация включает в себя полосовую фильтрацию в полосе ВР согласно Фиг.8, то все еще остается степень свободы, в которой будет определена средняя частота f этой полосовой фильтрации.
FI
5
ZI
ZI
Фиг.17 показывает выполнение в соответствии с Фиг.6. С точки зрения спектрального представления в области I частоты энергия в сигнале S на частоте f фактически представлена, в зависимости от давления р, бесконечно малой площадью, заштрихованной на Фиг.17. Поэтому очевидно следует, что при преобладающем давлении р эта энергия пропорциональна преобладающей спектральной амплитуде частоты f по отношению к огибающей EN(p). При этом чувствительность представлена производной этой зависимой от давления амплитуды спектра. Также следует отметить (логарифмическая шкала), что когда зависимая от давления спектральная огибающая EN(p) доходит до нулевой линии дБ, тогда энергия шума в сигнале S становится равной энергии сигнала в ней, т.е. ниже нулевой линии дБ энергия шума становится преобладающей. Поэтому необходимо найти среднюю частоту f полосовой фильтрации в области I частоты для установления требуемой характеристики производной зависимой от давления амплитуды спектра и выбрать в качестве упомянутой средней частоты f согласно Фиг.8 ту частоту f, на которой эта производная соответствует, по меньшей мере, приблизительно, требуемой характеристике. При этом следует отметить, что максимальная производная в зависимости от давления приводит к максимальной чувствительности. Поскольку характеристика амплитуды спектра в зависимости от давления на данной частоте f не является линейной, поэтому можно выбрать такую характеристику, при которой будут обеспечены диапазон давления, максимальная чувствительность, т.е. в которой будет реализована максимальная чувствительность диапазона давления.
I
I
I
FI
I
I
I
При этом отношение сигнал-шум может быть дополнительным требуемым значением. Оно зависит от ширины полосы частот BP полосовой фильтрации в частотной области I. Чем большей будет выбрана ширина полосы частот BP, тем меньшей, как правило, будет чувствительность, поскольку производная энергии сигнала в зависимости от давления будет меньшей, но, с другой стороны, увеличится отношение сигнал-шум. Это наглядно представлено на Фиг.17, на которой полоса BP частот фильтра показана пунктиром. Производная спектральной энергии сигнала S представлена заштрихованной спектральной площадью BP, производная которой в зависимости от давления уменьшается с увеличением ширины полосы частот BP; при этом энергия шума, характеризуемая площадью BP ниже нулевого дБ, становится относительно меньшей с увеличением ширины полосы частот.
ZI
Поэтому один из способов выбора средней частоты f с учетом отношения сигнал-шум заключается в выполнении одного или нескольких циклов следующих этапов:
ZI
а) определяют среднюю частоту f полосовой фильтрации путем нахождения частоты f, на которой производная зависимой от давления амплитуды спектра наиболее соответствует требуемой характеристике;
1
б) выбирают ширину BP полосы частот для средней частоты, найденной дополнительно с учетом отношения сигнал-шум и чувствительности; повторно регулируют, как возможный вариант, среднюю частоту и ширину полосы частот, чтобы реализовать требуемое оптимальное соотношение между чувствительностью и отношением сигнал-шум.
Выше изложен способ реализации фильтрации в частотной области I. Далее следует описание фильтрации в частотной области II.
II+
Tmax
II-
C
В соответствии с описанием со ссылкой на Фиг.12 фильтрацию в частотной области II осуществляют с помощью полосовой фильтрации с верхней частотой f среза при не более f, и с нижней частотой fсреза выше частоты f модуляции длины волны лазера.
ZII
II
Согласно Фиг.18 и в отношении выбора средней частоты полосовой фильтрации действуют те же обстоятельства, излагаемые в отношении Фиг.17 для полосовой фильтрации в частотной области I. Т.е., согласно Фиг.18 и 12 средняя частота f выбрана путем нахождения частоты f, на которой производная зависимой от давления амплитуды спектра, по меньшей мере, приблизительно соответствует требуемой характеристике. При этом помимо выбора полосы BP частот полосовой фильтрации
II
F также учитывается отношение сигнал-шум, хотя в этом случае оно менее критично, как в частотной области I, что, очевидно, следует из Фиг.18. При этом также для обеспечения чувствительности в качестве одной целевой функции и отношения сигнал-шум как второй целевой функции осуществляют следующие этапы:
ZII
II
FII
а) определяют среднюю частоту F фильтра F путем определения места, в котором производная зависимой от давления амплитуды спектра сигнала S (Фиг.13), по меньшей мере, приблизительно соответствует требуемой характеристике, и
II
б) подстраивают (регулируют) ширину BP, для требуемого отношения сигнал-шум однократно или несколько раз циклами.
max
Выше настоящее изобретение изложено в соответствии с аспектом установки верхнего максимального давления p до давления, при котором осуществляют контролирование давления данного газообразного вещества.
max
min
Далее следует изложение еще одного аспекта, согласно которому диапазон давления устанавливают между максимальным давлением p и минимальным давлением p, и в этом диапазоне давление газообразного вещества контролируется согласно настоящему изобретению.
Фиг.1-5 и пояснения в отношении этих чертежей для этого аспекта также остаются в силе.
max
min
max
min
T?p
min
max
Фиг.19 представляет аналогию Фиг.6. Показана спектральная огибающая для максимального контролируемого давления EN(p) и также спектральная огибающая для минимального контролируемого давления EN(p). При этом будет контролироваться диапазон давления ?р, включая предельные значения при p и p. В этом случае определяют переходную частоту f, при которой огибающая EN(p) пересекает спектральную огибающую EN(p). По аналогии с
Tmax
T?p
?p
?p
f эта переходная частота f ограничивает области Iи II частот.
?p
?pI-
T?p
?pI
?p
7
?pI
F?pI
F?pI
?pI
В одном из вариантов осуществления и согласно Фиг.20 в частотной области I выполняют фильтрацию как высокочастотную фильтрацию с нижней частотой fсреза, которая не ниже переходной частоты f. В результате этого обеспечивается вариант осуществления настоящего изобретения согласно Фиг.21, где фильтр F функционирует в частотной области I согласно Фиг.19 как высокочастотный фильтр. Сигнал S, характеризующий давление блока 7 оценки, зависит от выходного сигнала фильтра F, S. Эти результаты являются качественным примером выходного сигнала S фильтра F согласно Фиг.22. Энергия и давление также линейно масштабированы в произвольных единицах.
F?pI
7
На Фиг.23 по аналогии с Фиг.11 показана структура блока 7 оценки для оценки сигнала S фильтра для формирования сигнала S, характеризующего давление. Ссылаясь на пояснения в отношении Фиг.11: Фиг.23 и соответствующий вариант осуществления становятся ясными специалистам в данной области техники, без дополнительных пояснений.
?p
?pII+
T?p
?pII-
C
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения и ссылаясь на Фиг.19 используется область II более низкой частоты, которая также является фактически полосой частот. При этом фильтрация выполняется согласно Фиг.24 фильтром с верхней частотой S среза не выше переходной частоты f и с нижней предельной частотой S среза, которая выше частоты f модуляции волны лазера.
?pII
F?pII
7
F?pII
В этом варианте осуществления и согласно Фиг.25 блок оценки аналогично варианту осуществления согласно Фиг.13 содержит узел F фильтра с характеристикой фильтра согласно Фиг.24, и при этом формируется выходной сигнал S, в зависимости от которого формируется сигнал S, характеризующий давление. Сигнал S также является сигналом, характеризующим давление.
F?pII
?pII
7
F?pII
min
max
По аналогии Фиг.15 Фиг.26 показывает структуру блока оценки 7, использующего выходной сигнал S фильтра F для установления сигнала S, характеризующего давление. Здесь также дополнительные пояснения для специалиста в данной области техники не требуются. Фиг.27 также по аналогии с Фиг.14, в аспекте качественной характеристики, приводит пример зависимости выходного сигнала S от давления р газообразного вещества в образце 3 газа согласно Фиг.1: между минимальным и максимальным давлениями pи p.
Фиг.28 показывает еще один вариант осуществления, комбинирующий вариант осуществления, поясняемый на Фиг.20-23, с вариантом осуществления, поясняемым в контексте Фиг.24-27. Цель комбинирования этих вариантов осуществления та же, что и объясняемая в отношении комбинированного осуществления согласно Фиг.16. С учетом Фиг.16 и соответствующих пояснений вариант осуществления согласно Фиг.28 не нуждается в дополнительных пояснениях для специалистов в данной области техники.
?p
?p
?p
?pI-
?p
T?p
?pII+
T?р
Ссылаясь на Фиг.8 и соответствующие пояснения: в случае фильтрации в частотной области I согласно Фиг.20 и как показано пунктирно-точечными линиями, применяется полосовая фильтрация. При этом, также на основании пояснений в отношении Фиг.8: в одном из вариантов осуществления, в частности - в варианте осуществления с использованием фильтрации в обеих частотных областях I и II, - нижняя частота f среза фильтрации в частотных областях I выше, чем переходная частота f. Обращаясь к Фиг.12 и к соответствующим пояснениям: согласно еще одному варианту осуществления в соответствии с Фиг.24 - верхнюю частоту среза f выбирают ниже переходной частоты f.
FpI
?p
Z?pI
T?p
N
min
5
max
Несмотря на то, что согласно Фиг.19 и 20 полосовая фильтрация F в частотной области I может быть выполнена в отношении выбора средней частоты f и ширины полосы частот, в соответствии с пояснениями в отношении Фиг.17 и 18: в данном случае очень важно выполнить полосовую фильтрацию между переходной частотой f и предельной частотой f шума (см. Фиг.19), где при p энергия шума в сигнале S равна энергии сигнала в нем. При этом эту полосовую фильтрацию можно выполнить таким образом, чтобы разница энергий в спектре между огибающей EN(p) и огибающей
min
EN(p) стала максимальной.
?pI
Следует отметить, что, как упоминалось выше, спектральные огибающие EN(p), иллюстрируемые на разных чертежах, являются лишь качественными характеристиками. Тем не менее, на Фиг.19 ширина полосы частот BP произвольно показана с заштрихованной поверхностью, представляющей упомянутую разницу энергий.
?p
Z?pI
?pI
5
Полосовая фильтрация в частотной области I выполняется, в основном, путем соответствующего выбора средней частоты f (см. Фиг.20) и ширины полосы частот ВР, при условии, чтобы энергия шума выходного сигнала S, где фильтрация является эффективной, была самое большее равна энергии сигнала при оцениваемом максимальном давлении.
?p
?pII-
e
?pII+
Т?p
5
max
min
II?р
Что касается частотной области II и обращаясь к Фиг.24: полосовую фильтрацию осуществляют с нижней частотой f среза выше частоты f модуляции периодической модуляции длины волны и с верхней частотой fсреза, которая самое большее равна переходной частоте f. Обращаясь к Фиг.19: среднюю частоту и ширину полосы этой фильтрации выбирают с возможностью выполнения полосовой фильтрации; чтобы разница энергий в спектре огибающей сигнала S между приложением максимального контролируемого давления p и минимального контролируемого давления p стала максимальной. Соответствующая разница энергий показана на Фиг.19 в заштрихованной частотной области f.
Tmax
Т?p
Tmax
Т?p
I
II
I
II
T
Изложены варианты осуществления изобретения для оценки сигналов, характеризующих давление, с помощью одной фильтрации выше или ниже переходной частоты f и f, соответственно, или для комбинирования фильтрации в двух параллельных каналах, тем самым выполняя фильтрацию в обоих частотных областях выше или ниже соответствующей переходной частоты f и f. Таким образом, в последнем варианте осуществления изобретения, и как показано на Фиг.29, по меньшей мере, два канала, именно: первый контролирующий канал K и второй контролирующий канал K сформированы с фильтрацией F и F, соответственно настраиваемых в зависимости от способа определения переходной частоты f. Т.е., Фиг.29 является вариантом осуществления согласно Фиг.16 и 28.
I
II
I
II
Поэтому сигнал, характеризующий давление, вычисляют в зависимости от выходного сигнала соответствующих первой и второй фильтраций F и F в соответствующих каналах K и K.
I
II
I
II
Результат соответствующих первой и второй фильтраций в каналах K и K становится разным. Т.е., выходной сигнал фильтра F изменяется в зависимости от контролируемого давления данного газообразного вещества с результатом, отличающимся от второй фильтрации F.
FI
FI
I
II
FI,II
Фиг.30 показывает результат контролирования давления образца газа, кислорода - например: выходной сигнал S и S фильтрации в соответствующих каналах K и K согласно Фиг.29. Сигналы S масштабируются в произвольных, но в равных единицах.
I
II
Tmax
T?p
Для фильтрации в частотной области I используется полосовой фильтр. Фильтры не оптимизируются по отношению к чувствительности и отношению сигнал-шум. Нижняя частота среза полосового фильтра в канале K и также верхняя частота среза полосового фильтра в канале K тем не менее выбираются таким образом, чтобы они отстояли от обеих переходных частот f и f.
FI
S
FII
II
FI
FII
S
FI
FII
I
II
s
Представлено, что формируется первый выходной сигнал S первой фильтрации, которая имеет поддиапазон ?р давления около 0 мбар - 50 мбар из общего контролируемого диапазона ?р давления в пределах 0 мбар - 75 мбар; производная в зависимости от давления, абсолютное значение которой больше, чем абсолютное значение зависимой от давления производной характеристики сигнала S, т.е. фильтрации в канале К. Фиг.31 показывает, аналогично Фиг.30, соответствующие выходные сигналы S и S соответствующей канальной фильтрации в другом диапазоне давления, как пример - давления кислорода, т.е. в диапазоне 75-200 мбар. Согласно Фиг.31: в поддиапазоне ?р давления, т.е. в диапазоне около 110-190 мбар, абсолютное значение производной зависимого от давления сигнала S больше, чем эта производная сигнала S. Поэтому можно сказать, что в двухканальном методе согласно Фиг.29 первой фильтрацией F формируется первый сигнал с первой зависимой от давления производной в предварительно заданном диапазоне ?р давления и посредством второй фильтрации F - сигнал со второй зависимой от давления производной в предварительно заданном диапазоне ?р давления; при этом абсолютные значения одной из производных меньше, чем абсолютные значения других производных, по меньшей мере, в одном поддиапазоне ?р давления в предварительно заданном диапазоне ?р давления. При этом производные рассматриваются без учета шума, т.е. путем сглаживания соответствующих выходных сигналов, поскольку шум предусматривает произвольные производные в зависимости от характеристик давления.
I
FII
I
I
Tmax
T?p
s1
S2
FII
Фиг.32, аналогично Фиг.30 и 31, показывает прохождение сигнала SF и S в предварительно заданном диапазоне контролируемого давления от 0 до 195 мбар. Видно, что первая фильтрация F в канале K, которая соответствует фильтрации в частотной области I выше переходной частоты f или f, имеет зависимые от давления производные, которые являются исключительно положительными в поддиапазоне ?р давления и исключительно отрицательными во втором поддиапазоне ?p давления из общего предварительно заданного поддиапазона ?р давления. Производные второго сигнала S являются производными только одного знака в общем диапазоне ?р давления.
FI
s1
Абсолютные значения производных первого сигнала S являются большими, по меньшей мере, в поддиапазоне ?р, опять же без учета шума.
Сигнал согласно Фиг.30-32 типичен для газообразных веществ и соответствующей фильтрации в двух частотных областях выше и ниже переходной частоты.
FI
s1
s2
FI
FI
FI
о
FI
FII
s1
s2
Иллюстрируемые результаты получены при контролировании газообразного кислорода. Ссылаясь на характеристики сигнала согласно Фиг.32 в диапазоне ?р контролируемого давления, очевидно, что сигнал S имеет чувствительность в поддиапазонах ?ри ?р давления больше, чем чувствительность сигнала S в соответствующих поддиапазонах давления. С другой стороны, сигнал S неоднозначен в том смысле, что одно значение сигнала S может характеризовать два значения давления, которые существенно отличаются друг от друга. Например, согласно Фиг.32 значение S сигнала в сигнале S может характеризовать давление около 25 мбар, но также и давление около 170 мбар. Несмотря на то, что сигнал S имеет меньшую чувствительность, он не является неоднозначным в диапазоне ?р, включая поддиапазоны ?ри ?р.
Согласно одному варианту осуществления вычисление сигнала с помощью блока 15, показываемого на Фиг.29, можно выполнить согласно Фиг.33.
FII
II
FI
FII
FIIref
II
II
FIIref
е
е
s
s1
s2
s
s1
s2
21
FIref
I
s1
FIref
I
s2
В принципе, из сигнала, зависимого от второго сигнала S из канала K согласно Фиг.29, который соответствует результатам фильтрации в частотной области II, определяют преобладающий поддиапазон давления для в данное время преобладающего результата первой фильтрации S. Согласно схематическому представлению на Фиг.33 преобладающее фактическое значение сигнала S сравнивают с предварительно запомненной эталонной характеристикой S в блоке 11 с помощью блока 13 сравнения. Результат сравнения в не являющейся неоднозначной характеристике S характеризует оценочное значение р давления и вводится в компаратор 20. В нем оценочное значение р давления, т.е. сигнал, характеризующий это значение, сравнивается с предельными значениями для поддиапазонов ?р давления согласно ?pи ?p, указываемых на Фиг.32. Результатом этого сравнения является выходной сигнал, характеризующий поддиапазон ?p давления, т.е. согласно Фиг.32: либо ?p, либо ?p. Выходной сигнал блока 20 компаратора управляет с помощью управляющего входного сигнала С активацией либо запоминающего устройства 23а, либо 23b, оба - в справочных таблицах, например. В одном запоминающем устройстве 23а предварительно запоминают характеристику S выходного сигнала первой фильтрации Fв первом поддиапазоне давления согласно ?p - Фиг.32; причем в запоминающем устройстве 23b, также, например, в виде справочной таблицы, предварительно запоминают характеристику S результата первой фильтрации F в поддиапазоне ?pдавления.
s
FI
I
II
s
I
s
Сигнал ?p, характеризующий давление поддиапазона, определяет одну из двух предварительно запомненных характеристик, которую сравнивают в еще одном компараторе 25 с получаемым в результате преобладающим сигналом S первой фильтрации F. Это схематически представлено на Фиг.33 блоком 27 управляемого выбора. Таким образом, после определения - из сигнала, зависимого от второй фильтрации F, - преобладающего поддиапазона ?p давления: из сигнала, который зависит от результата первой фильтрации F, в поддиапазоне ?p определяют сигнал, характеризующий давление.
Перед описанием других вариантов осуществления настоящего изобретения целесообразно определить заданные величины, использованные для контролирования давления кислорода:
ZII
II
c
- средняя частота fвторого полосового фильтра F относительно частоты f модуляции:
ZII
c
10≤f/f≤20;
ZI
I
- средняя частота fпервого полосового фильтра F:
ZI
c
50≤f/f≤120;
II
- ширина полосы частот второго полосового фильтра BP:
II
c
1≤B/f≤18;
I
- ширина полосы частот первого полосового фильтра BP:
I
c
50≤B/f≤1000.
Производная Н длины волны согласно Фиг.1 лазерной модуляции, по меньшей мере, 5 промилле, предпочтительно:
50 пм≤Н≤500 пм
c
Был использован модулируемый вертикальный резонаторный лазер поверхностного излучения, модулируемый при f ~800 Гц.
Далее следует описание изобретения согласно всем описываемым выше различным вариантам осуществления применительно к практической системе, с изложением последующих вариантов осуществления.
Фиг.34 схематически показывает систему контролирования давления газообразного вещества в закрытых контейнерах, пропускающих лазерное излучение в модулированном диапазоне волн, и которые могут быть наполненными или ненаполненными. Эти контейнеры, давление кислорода в которых должно точно контролироваться, являются, например, стеклянными или пластмассовыми ампулами с наполняющим материалом, который не должен подвергаться воздействию кислорода.
Tr
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения контролируемое газообразное вещество находится в закрытом и пропускающем лазерное излучение контейнере. Согласно Фиг.34 эти контейнеры, например, стеклянные или пластмассовые ампулы 27, транспортируются после заполнения, герметичной укупорки и, возможно, после краткого или длительного хранения в атмосферном воздухе, посредством конвейера 29, например, круговым транспортером, транспортируются к станции 31 контролирования давления газообразного вещества, в частности, давления кислорода. Согласно Фиг.1 предусмотрено лазерное устройство 1, модулируемое, как упомянуто выше, модулирующим генератором 9. Лазерный луч В с модулированной длиной волны, пройдя тестируемый контейнер 27 в виде пропущенного луча B, поступает в приемное устройство 29 с оптико-электрическим преобразователем 5 согласно Фиг.1 и в следующий за ним блок 7 оценки. В зависимости от конструкции системы тестируемый контейнер 27 продолжает транспортироваться транспортером 29 во время контролирования давления газообразного вещества, и при этом лазерное устройство 1 и приемное устройство 29 перемещаются по заданной траектории синхронно с транспортируемым и контролируемым контейнером 27.
В другой конструкции: тестируемый контейнер 27 останавливается, и лазерное устройство 1 и приемное устройство 29 могут быть неподвижными.
Tr
На энергию пропускаемого лазерного луча B может влиять преобладающая прозрачность всего фактического пути пропускающей способности между лазерным устройством 1 и портом оптического входа приемного устройства 29, особенно изменяющаяся прозрачность контейнера - как по причине допусков материала контейнера, так и по причине загрязненности стенки контейнера и пр.
Выполняют по существу измерение, характеризующее пропускную способность. Поскольку пропускная способность влияет на энергию фильтруемых сигналов и также на значение эталонных характеристик в справочных таблицах, с которыми сравнивают фактические результаты фильтрации, поэтому характеризующий пропускную способность сигнал взвешивают.
5
c
c
с
5
5
с
с
CAL
с
Tr
FI
FII
I
II
Tmax
T?p
Tr
I
II
I
II
Несмотря на то, что преобладающую прозрачность на пути 3 пропускной способности согласно Фиг.1 можно измерять с помощью отдельного лазерного луча, в одном варианте осуществления сам лазерный луч В используется для обеспечения информации, характеризующей пропускную способность. Со ссылкой на Фиг.4 было дано объяснение о том, что спектр сигнала S содержит определенную спектральную линию на частоте f модуляции. В зависимости от способа реализации модуляции длины волны лазерного луча спектральная составляющая на частоте f будет иметь большую или меньшую энергию. При использовании, например, вертикального резонаторного лазера поверхностного излучения, в котором центральная длина волны спектра излучения регулируемая и поэтому модулируемая с помощью амплитудной модуляции прямого тока согласно: H.P.Zappe et al. «Narrow-linewidth vertical-cavity surface-emitting lasers for oxygen detection», Appl. Opt. 39 (15), 2475-2479 (May 2000), энергия пропускаемого лазерного луча на частоте f является довольно большой. Из этого следует, что энергия сигнала S как таковая сама характеризует пропускную способность. Как упомянуто выше, во всех режимах фильтрации для оценки информации, характеризующей давление, в сигнале S энергия на частоте f не учитывается при выборе всей фильтрации на низшей частоте среза выше частоты f модуляции. Согласно Фиг.35 предусмотрен третий канал K в качестве калибровочного канала, в котором непосредственно или возможно, и как показано пунктирной линией, с помощью избирательной полосовой фильтрации на частоте f формируется сигнал S, характеризующий пропускную способность. Этот сигнал, характеризующий пропускную способность, используется по существу для взвешивания сигналов, от которых зависит сигнал, характеризующий давление. В вариантах осуществления, описываемых со ссылкой на Фиг.35, где получаемые в результате сигналы фильтрации S и S используются для нахождения соответствующего зависимого от давления значения в справочных таблицах 11 и 11, безотносительно выбранной переходной частоты fили f: сигнал S, характеризующий пропускную способность, прилагают к калибровочным устройствам 33 на выходе устройств 11 и 11, и также на выходах устройств F и F фильтрации.
Поэтому выходные сигналы на выходах соответствующих устройств 13 сравнения становятся независимыми от преобладающих в данный момент характеристик пропускной способности пути 3 пропускной способности согласно Фиг.1 и согласно Фиг.34 - независимо от возможно изменяющейся пропускной способности контролируемых на линии контейнеров 27, т.е. в потоке последующих контейнеров; для контролирования давления определенного газообразного вещества в них, т.е., как упоминалось выше, кислорода.
Еще один вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает контролирование давления газообразного вещества согласно вышеизложенному для образца газа с предварительно заданным известным давлением как для проверки общего функционирования и точности описываемой системы, так и для обеспечения эталонного сигнала, характеризующего давление, для тестируемого газообразного вещества. Обращаясь к Фиг.34: упомянутое стандартное контролирование можно всегда выполнять после проверки определенного числа контейнеров 27, и даже до проверки каждого контейнера 27 в отношении преобладающего газообразного вещества, в данном случае - кислорода.
Фиг.35 показывает один вариант осуществления для выполнения стандартного или эталонного контролирования, как описано выше, в контролировании давления газообразного вещества в каждом из контейнеров 27.
ST
ST
ST
ST
ST
ST
Согласно Фиг.36 каждый тестируемый и доставленный транспортером 29 на станцию 31 контролирования контейнер 27 согласно Фиг.34 захватывается перемещающим элементом 35. Перемещающий элемент 35 может содержать трубчатый элемент с управляемым захватным устройством 37 и сквозным проходом 39 для лазерного луча. Перемещающий элемент 35 выполнен с возможностью перемещения перпендикулярно маршруту транспортера 29 вверх и вниз, как показано двойной стрелкой F, и приводится в движение регулируемым образом с помощью привода 41. Лазерное устройство 1 и оптико-электрический преобразователь 5 расположены над транспортером 29; и при захвате контейнера 27 для его тестирования в положении как показано и при его последующем подъеме с помощью привода 41 и элемента 35 в положение контролирования: проход 39 открывает путь прохождения для лазерного луча В. На Фиг.36 перемещающий элемент 35 показан в его самом нижнем положении, в котором будет захвачен очередной тестируемый контейнер 27. Перемещающий элемент 35 также удерживает стандартный или эталонный контейнер 27, в котором присутствует предварительно заданное количество контролируемого газообразного вещества, что обеспечивает предварительно заданное давление при данной температуре. Стандартные контейнеры 27 расположены редко в перемещающем элементе 35. Вместе с перемещающим элементом 35 контейнер перемещается посредством регулируемого привода 41 вверх и вниз, и при этом в перемещающем элементе 35 обеспечен второй проход 39 в положении, соответствующем установочному положению стандартного контейнера 27; когда перемещающий элемент 35 находится в положении, показываемом на Фиг.36, лазерный луч В проходит через стандартный контейнер 27. При этом осуществляют эталонное контролирование. Пунктирная линия на Фиг.36 показывает положение стандартного контейнера 27, когда тестируемый контейнер 27 поднимается в положение контролирования.
ST
ST
15
ST
15
p
ST
Поскольку давление газообразного вещества в замкнутых контейнерах зависит от температуры, которая по существу одинаковая в данной окружающей среде у всех тестируемых контейнеров и у стандартного контейнера 27 в передающем элементе 35, поэтому указанное газообразное вещество в стандартном контейнере 27 будет подвергаться изменениям давления по причине тех же изменений температуры, что и газообразное вещество, возможно содержащееся в тестируемых контейнерах 27. Согласно Фиг.36 после оптико-электрического преобразования сигнала пропускаемого лазерного луча В выполняется обработка данных согласно изложенному выше подробному описанию в вычислительном блоке 15 сигнала. Сигнал, сформированный на выходе А вычислительного блока 15, является, как указано выше, сигналом, характеризующим давление определенного газообразного вещества, в данный момент контролируемого. Согласно Фиг.36 стандартный или эталонный контейнер 27 также проверяется по давлению газообразного вещества, и результат на выходе Азапоминается в запоминающем устройстве 41. Затем последующий результат контролирования, формируемый для проверяемого контейнера, подается в средство 43 формирования разности вместе с запомненным в запоминающем устройстве 41 значением эталонного результата. Поэтому на выходе средства 43 формирования разности формируется выходной сигнал D, который характеризует разность давлений между сигналом, характеризующим давление газообразного вещества, полученным при контролировании эталонного или стандартного контейнера 27, и следующего транспортируемого для контролирования контейнера 27.
Регулятор времени 45 управляет, как это схематически показано на Фиг.35, запоминанием выходного сигнала вычислительного блока 15 в запоминающем устройстве 41, приложением преобладающего выходного сигнала вычислительного блока 15 вместе с запомненным эталонным сигналом к блоку 43 формирования разности и управляет перемещением F вверх/вниз перемещающего элемента 35 с помощью регулируемого привода 41.
p
p
45
Затем согласно схематическому изображению на Фиг.36 полученный сигнал D разности подается в блок 45 порогового значения, который проверяет, достиг ли данный сигнал предварительно определенного порогового значения, заданного блоком 47 задания порогового значения. В зависимости от результата сравнения D с заданным пороговым значением проверяемый в данное время контейнер 27 будет считаться удовлетворяющим предварительно заданным условиям относительно содержания газообразного вещества и затем будет считаться закупоренным прозрачным контейнером, содержащим количество газообразного вещества не больше предварительно определенного максимального количества, в частности - кислорода, и поэтому будет квалифицирован нормальным контейнером. Контейнеры, не отвечающие упомянутым условиям и имеющие поэтому слишком высокое содержание кислорода, отбраковываются - как показано на Фиг.36, с помощью бракующего переключателя S, срабатывающего на проверку порогового значения в блоке 45 порогового значения.
ST
ST
p
ST
ST
Согласно еще одному варианту осуществления запоминающее устройство 41 заменено усредняющим средством, в котором последовательные эталонные сигналы, характеризующие давление, формируемые для стандартных контейнеров 27, усредняются, и усредненный результат подается в блок 43 формирования разности. При этом, если стандартный контейнер 27 по какой-либо причине не соответствует норме, его контролирование не изменит резко усредненный результат, и поэтому преобладающий результат D разности будет еще оставаться точным для некоторых контейнеров 27, и поэтому проверяемые контейнеры 27 не будут ошибочно считаться отвечающими заданным условиям данного газообразного вещества. Поэтому (не показано), если результат контролирования стандартного контейнера 27 выходит за предел предварительно заданного диапазона сигнала, то может включиться сигнализация, указывающая на нарушение стандартного контейнера 27.
Фиг.34 и 35 показывают варианты осуществления одиночной проверочной станции. Для повышения производительности проверяемых контейнеров 27 можно обеспечить не одну проверочную станцию 31, которые будут функционировать параллельно, и при этом время тестируемого цикла будет разделено на несколько параллельных проверочных станций, что позволит повысить скорость транспортирования контейнеров 27 транспортером 29.
С помощью описываемой здесь методики контролирования давления газообразного вещества для проверки содержания кислорода в стеклянных или пластмассовых ампулах были обеспечены циклы длительностью менее 0,3 сек, что, соответственно, позволяет проверять идущие потоком контейнеры и при этом проверять каждый отдельный контейнер 27.