ФОТОМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области опытно-электронного приборостроения и может быть использовано при фотометрических измерениях в медицине, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известно автоматическое фотометрическое устройство, содержащее осветитель, источник питания, кювету, фотоприемник с усилителем, цифроаналоговый преобразователь, генератор, первый и второй счетчики, переключатель, устройство сравнения, блок установки эталонного уровня интенсивности света и блок управления (см. а. с. СССР N 1627860 кл. G 01 J 1/44 1989 г.) [1]
Данное устройство, имея управляемый источник питания, тем не менее из-за отсутствия отражателя с селективноотражающим покрытием создает большую тепловую и световую нагрузку на интерференционный светофильтр, что существенно сужает динамический диапазон и влияет на точность измерения оптической плотности селективных образцов, особенно в ульфтрафиолетовой части рабочего диапазона.

Известен также фотометр, содержащий оптический блок, включающий источник света, интерференционный светофильтр, кювету для исследуемого образца и модулятор, блок питания источника света, усилитель фототока, датчик положения модулятора со схемой формирования импульса, аналогоцифровой преобразователь, микропроцессорный контроллер, устройство вывода информации и фотоприемное устройство, вход которого связан с выходом оптического блока, а выход с усилителем фототока, причем выход аналогоцифрового преобразователя связан через микропроцессорный контроллер с устройством вывода информации и обратной связью с усилителем фототока (см. а. с. СССР N 1627859 кл. G 01 J 1/44, 1987 г. ) [2]
Это устройство наиболее близко по технической сути и обладает наибольшим числом общих с заявляемым техническим решением признаков.

Вышеуказанное устройство [2] не позволяет, однако, получить широкого динамического диапазона при высокой точности и воспроизводимости результатов измерения оптической плотности.

Это вызвано тем, что без полосового фильтра трудно избавиться от помех, связанных с шумами и дрейфом "нуля" применяемых усилителей фототока. Использование полосового фильтра в известных решениях предполагает применение после него амплитудного детектора, устанавливаемого перед аналого-цифровым преобразователем. Однако применение амплитудного детектора не позволяет получить высокую линейность в широких пределах и быстродействие измерительного тракта, что в конечном счете отражается на точности измерения.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности и воспроизводимости результатов измерения в широком диапазоне. Она достигается за счет введения в схему устройства стабилизатора скорости вращения модулятора и полосового фильтра, установленного между усилителем фототока и аналого-цифровым преобразователем, а также изменения взаимосвязей известных и новых элементов конструкции фотометра, что позволяет достичь следующего технического результата - расширить динамический диапазон измерений оптической плотности до 4 Б. При этом обеспечивается высокая воспроизводимость результатов измерения до 0,5%
Вышеназванный технический результат достигается за счет того, что фотометр, содержащий оптический блок, состоящий из источника света, интерференционного светофильтра, кюветы для исследуемого образца и модулятора, блок питания источника света, усилитель фототока, датчик положения модулятора со схемой формирования импульса, аналогоцифровой преобразователь, микропроцессорный контроллер, устройство вывода информации и фотоприемное устройство, вход которого связан с выходом оптического блока, а выход с усилителем фототока, причем выход аналого-цифрового преобразователя связан через микропроцессорный контроллер с устройством вывода информации и обратной связью с усилителем фототока, дополнительно снабжен стабилизатором скорости вращения модулятора и полосовым фильтром, установленным между усилителем фототока и аналогоцифровым преобразователем, причем в блок питания источника света введены стабилизатор тока и цифроаналоговый преобразователь, а источник света выполнен с отражателем из селективноотражающего покрытия, при этом выход усилителя фототока через полосовой фильтр соединен с одним входом аналогоцифрового преобразователя, выход схемы формирования импульса связан с другим входом аналогоцифрового преобразователя и стабилизатором скорости вращения модулятора, а источник света соединен с микропроцессорным контроллером через блок питания источника света.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена структурная схема фотометра.

Фотометр содержит оптический блок 1, состоящий из источника света 2, отражателя 3 с нанесенным на него селективноотражающим покрытием, интерференционного светофильтра 4, кюветы 5 для исследуемых образцов и модулятора 6, фотоприемное устройство 7, усилитель фототока 8, связанный с ним через полосовой фильтр 9 аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, выход которого соединен с входом микропроцессорного контроллера 11, один выход которого соединен с устройством вывода информации 12, а другой выход через блок питания 13 источника света, включающий в себя цифроаналоговый преобразователь 14 и стабилизатор тока 15, с источником света 2. Третий выход микропроцессорного контроллера 11 соединен обратной связью с усилителем фототока 8. В оптический блок 1 входит также датчик положения 16 модулятора 6, который состоит из светодиода 17, фотодиода 18 и схемы формирования импульсов 19, выход которой связан с аналого-цифровым преобразователем 10 и стабилизатором скорости вращения 20 модулятора 6, имеющего диск 21.

Работает фотометр следующим образом. После включения блока питания 13 источника света 2 выполняется программа установки режима работы блока питания 13 источника света, записанная в ПЗУ (постоянно запоминающем устройстве) микропроцессорного контроллера 11. Программа установки режима выполняется при отсутствии в кювете 5 исследуемых образцов, при этом микропроцессорный контроллер 11 начинает через цифроаналоговый преобразователь 14 и стабилизатор тока 15 блок питания 13 источника света 2 увеличивать ток, одновременно контролируя выход АЦП 10 до тех пор, пока цифровой код на выходе АЦП 10 не будет в заданных пределах. Далее это значение запоминается микропроцессорным контроллером 11 и используется как опорное при дальнейшей работе.

Световой поток, излучаемый источником света 2 от отражателя 3, покрытого селективноотражающим покрытием (например, солями тяжелых металлов), попадает в интерференционный светофильтр 4.

Селективноотражающее покрытие подобрано таким образом, чтобы максимальный коэффициент отражения приходился на ультрафиолетовую часть рабочего диапазона и был минимален в его инфракрасной части. Это позволяет уменьшить тепловую и световую нагрузку на интерференционный светофильтр 4, а также выровнять сквозную спектральную характеристику системы "источник света фотоприемное устройство" и тем самым повысить точность и расширить динамический диапазон измерения оптической плотности селективнопоглощающих исследуемых образцов в кювете 5. От отражателя 3 световой поток через интерференционный светофильтр 4 попадает на диск 21 модулятора 6, где модулируется по амплитуде, далее модулированный поток через кювету 5 с исследуемым образцом попадает в фотоприемное устройство 7, где преобразуется в фототок, который в свою очередь преобразуется в пропорциональное напряжение усилителем фототока 8. Коэффициент усиления при этом может устанавливаться ступенчато (К, 2К, 4К и т. д. до 2nK), что происходит по командам микропроцессорного контроллера 11. С выхода усилителя фототока 8 через полосовой фильтр 9 сигнал поступает на первый (аналоговый) вход АЦП 10. На второй вход (вход запуска) поступают импульсы с датчика положения 16 модулятора 6, причем его положение выбирается таким образом, чтобы момент запуска АЦП 10 производился на максимальном напряжении на первом (аналоговом) входе, т.е. показания АЦП были максимальными.

При этом импульсы запуска являются синхронизирующими для создания обратной связи по поддержанию постоянной скорости вращения модулятора 6 с помощью стабилизатора скорости 20.

Быстродействующий АЦП 10 позволяет провести весь цикл преобразования за 10МКС. За это время напряжение на первом (аналоговом) входе не успевает существенно измениться, что благоприятно сказывается на точности измерения, которое происходит следующим образом.

Сначала при отсутствии исследуемого образца в кювете 5, на измерительном тракте фотометра устанавливается опорное напряжение, которое было запомнено в режиме самоконтроля. За опорное принимается среднее значение от Аn измерений, где А целое число (1,2,3.), "n" число отверстий в диске 21 модулятора 6. Затем в измерительный тракт устанавливается исследуемый образец и измеряется сигнал на выходе АЦП 10. Если сигнал меньше половины максимального, то микропроцессорный контроллер 11 с помощью обратной связи увеличивает коэффициент усиления на усилителе фототока 8 в два раза и вновь контролирует сигнал на выходе АЦП 10. Так происходит до тех пор, пока сигнал на выходе АЦП 10 не будет больше половины максимального значения. Далее микропроцессорный контроллер 11 делает Аn измерений, кратное количеству отверстий в диске 21 модулятора 6, и усредняет полученное значение. Затем по соответствующим формулам в микропроцессоре автоматически могут быть вычислены либо оптическая плотность, либо коэффициент пропускания, значение которых поступает на устройство вывода информации 12. В качестве которого может быть использован видеомонитор, печатающее устройство или цифровой индикатор (на схеме не показаны). Команда на изменение позиции кюветы 5 для исследования следующего образца подается также микропроцессорным контроллером 11 на привод шагового механического устройства (на схеме не показан).

Использование предложенного фотометра позволяет получить с его помощью большой динамический диапазон (до 4 Б) при высокой воспроизводимости результатов измерения.

Использование: в области оптико-электронного машиностроения, при фотометрических измерениях в медицине, химической, пищевой и др. отраслях промышленности. Сущность изобретения: устройство снабжено стабилизатором скорости вращения модулятора и полосовым фильтром, установленным между усилителем фототока и аналогоцифровым преобразователем, в блок питания введены стабилизаторы тока и цифроаналоговый преобразователь, а источник света выполнен с отражателем из селективноотражающего покрытия. 1 ил.

Фотометр, содержащий оптический блок, включающий источник света, интерференционный светофильтр, кювету для исследуемого образца и модулятор, блок питания источника света, усилитель фототока, датчик положения модулятора со схемой формирования импульса, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный контроллер, устройство вывода информации и фотоприемное устройство, вход которого связан с выходом оптического блока, а выход с усилителем фототока, причем выход аналого-цифрового преобразователя связан через микропроцессорный контроллер с устройством вывода информации и обратной связью с усилителем фототока, отличающийся тем, что он снабжен стабилизатором скорости вращения модулятора и полосовым фильтром, установленным между усилителем фототока и аналого-цифровым преобразователем, причем в блок питания источника света введены стабилизатор тока и цифроаналоговый преобразователь, а источник света выполнен с отражателем из селективоотражающего покрытия, при этом выход усилителя фототока через полосовой фильтр соединен с одним входом аналого-цифрового преобразователя, выход схемы формирования импульса связан с другим входом аналого-цифрового преобразователя и стабилизатором скорости вращения модулятора, а источник света соединен с микропроцессорным контроллером через блок питания источника света.