ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Российский патент 1997 года по МПК G01J3/36 

Изобретение относится к технической физике, а именно к спектральным приборам с фотоэлектрической регистрацией излучения, и может быть использовано для спектрального анализа различных материалов.

Из уровня техники известна фотоэлектрическая установка для спектрального анализа, состоящая из источника света, спектрального прибора, фотоприемника, коммутатора, интегратора и измерительного устройства [1]
Ближайшим аналогом изобретения является фотоэлектрическая установка для спектрального анализа, содержащая спектральный прибор, на выходе которого установлены фотоприемники, каждый из которых через свой электрический ключ и интегратор соединен с соответствующим выходом регистратора [2]
Известные спектральные установки обладают общим недостатком, вытекающим из следующего.

Для контроля фотоэлектрической воспроизводимости (суммарной погрешности, вносимой фотоприемником и измерительным каналом) во всех приборах используется режим фотоконтроля, в котором на фотоприемники поступает излучение от стабильного источника сплошного спектра (фотометрической лампы). При этом на все фотоприемники поступает неразложенный свет близкой по величине интенсивности, что отрицательно сказывается на работе фотоприемников в измерительных каналах. Это обусловлено прежде всего тем, что каждый фотоприемник настроен на определенную спектральную линию, которые по интенсивности могут отличаться на несколько порядков. Поэтому каждый фотоприемник должен иметь свою, строго определенную чувствительность. Для фотоприемников, выполненных на фотоумножителях (ФЭУ), она определяется величиной анодного напряжения.

Поэтому при переходе в режим фотоконтроля приходиться устанавливать (изменять) чувствительность фотоприемников. При большом количестве каналов установка режима фотоконтроля занимает большое время.

Кроме того, для выхода на номинальный режим работы источника стабильного излучения необходимо также продолжительное время. Необходимо также учитывать время выхода на новый режим работы фотоприемников как при переходе в режим фотоконтроля, так и при обратном переходе в режим измерений. Для стабильной работы фотоприемников необходимо, чтобы они всегда находились под определенным, выбранным из характеристики анализируемой линии, напряжением. Нарушение этого условия при несогласованности интенсивности излучения и чувствительности фотоприемника может привести к длительному простою фотоприемника из-за его перенасыщения.

Поэтому в реальных условиях режим фотоконтроля проводят, как правило, перед началом измерений и после их окончания.

Второй недостаток фотоэлектрических квантометров вытекает из малого числа режимов фотоконтроля и больших временных промежутков между ними. Так как фотоприемники имеют достаточно высокую нестабильность характеристик во времени, то при больших промежутках между режимами фотоконтроля может возникнуть неучтенный уход характеристик, прежде всего коэффициента усиления, приводящий к возникновению дополнительных погрешностей измерений.

Для исключения этого при отборе фотоприемников предъявляются очень высокие требования к стабильности их характеристик, когда для работы в анализаторах отбираются единицы из тысяч проверяемых фотоприемников. Это приводит к увеличению стоимости и продолжительности процесса создания анализаторов.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка анализатора спектра, в котором при использовании исключена операция перестройки чувствительности фотоприемников при изменении режимов работы, а также возможно применение фотоприемников с невысокой стабильностью величины чувствительности без увеличения погрешности результатов измерений.

Технический результат от использования изобретения заключается в сокращении продолжительности режимов фотоконтроля за счет исключения операции установки чувствительности фотоприемников.

Дополнительный технический результат заключается в обеспечении номинальных режимов работы фотоприемников при всех режимах работы.

Второй дополнительный технический результат заключается в компенсации погрешностей измерений, обусловленных нестабильностью характеристик фотоприемника.

Этот технический результат достигается тем, что анализатор спектра, содержащий полихроматор с оптическим входом и оптическими выходами, оптически связанными с фотоприемниками, выходы которых соединены соответственно с информационными входами интеграторов и регистратор, дополнительно содержит источник стабильного излучения, световод, состоящий из моноволокон разного диаметра, выбираемого из условия согласования интенсивности источника стабильного излучения и чувствительности соответствующего фотоприемника, шторку, установленную между источником стабильного излучения и входом световода с возможностью прерывания оптической связи между источником стабильного излучения и световодом, выход которого посредством моноволокон оптически связан с входами соответствующих фотоприемникв, шторку, установленную у оптического входа полихроматора с возможностью его прерывания, а также узел управления шторками, вход которого кинематически связан со шторками, коммутатор импульсов, узел синхронизации и К блоков вычисления поправки, вход запуска узла управления шторками соединен с первым тактовым выходом узла синхронизации, второй тактовый выход которого подключен к установочным входам соответствующих узлов умножения, выходы которых подключены ответственно к входам регистратора, выход каждого интегратора соединен с информационным входом соответствующего блока вычисления поправки, выход которого подключен к второму информационному входу соответствующего узла умножения, третий тактовый выход узла синхронизации соединен с входами опроса результатов всех блоков вычисления поправки и входом коммутатора импульсов, первый тактовый выход которого соединен с первым тактовым входом всех блоков вычисления поправки, вторые тактовые входы которых подключены к второму тактовому выходу коммутатора импульсов.

Этот технический результат достигается также тем, что узел синхронизации содержит генератор тактовых импульсов, триггер, элемент ИЛИ и формирователь импульсов, причем первый выход генератора тактовых импульсов соединен с первым входом элемента ИЛИ и единичным входом триггера, прямой выход которого является первым тактовым выходом узла синхронизации, вторым тактовым выходом которого является выход элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого и нулевой вход триггера объединены и соединены с вторым выходом генератора тактовых импульсов, являющимся выходом узла синхронизации.

Этот технический результат достигается также тем, что блок вычисления поправки состоит из трех узлов памяти, узла деления и четырех ключей, причем в каждом блоке выход первого узла памяти соединен с информационными входами первого и второго ключей, а выход второго узла памяти подключен к информационным входам третьего и четвертого ключей, выходы первого и третьего ключей объединены и соединены с первым информационным входом узла деления, второй информационный вход которого подключен к выходам второго и четвертого ключей, выход узла деления соединен с информационным входом третьего узла памяти, выход которого является входом блока, вход записи третьего узла памяти является входом опроса результатов блока, первым тактовым входом которого является вход записи первого узла памяти, объединенный с управляющими входами первого и третьего ключей, а вторым тактовым входом блока являются объединенные входы записи второго узла памяти и управляющие входы второго и четвертого ключей, объединенные информационные входы первого и второго узлов памяти являются информационным входом блока вычисления поправки.

На фиг. 1 приведена схема анализатора; на фиг. 2 временные диаграммы работы отдельных элементов анализатора, причем у оси ординат указаны номера элементов или номера связей, на которых имеются приведенные сигналы.

Анализатор спектра содержит полихроматор 1 с оптическим входом 2, шторкой 3 и оптическими выходами 4, оптически связанными с входами фотоприемников 5, выходы которых подключены соответственно к информационным входам интеграторов 6, выходы которых соединены соответственно с первыми информационными входами узлов 7 умножения, выходы которых соединены соответственно с входами регистратора 8, узел 9 управления шторками, источник 10 стабильного излучения, шторку 11 и световод 12, состоящий из моноволокон и оптически связывающий выход источника 10 стабильного излучения с входами соответствующих фотоприемников 5, коммутатор 13 импульсов, узел 14 синхронизации и блоки 15 вычисления поправки. Шторка 3 установлена с возможностью перекрытия оптического входа 2 полихроматора 1, а шторка 11 с возможностью прерывания оптической связи между источником 10 и световодом 12. Шторки кинематически связаны с выходом узла 9 управления шторками, который управляет их положением в процессе работы анализатора.

Каждый блок 15 вычисления поправки содержит первый 16, второй 17 и третий 18 узлы памяти, узел 19 деления, первый 20, второй 21, третий 22 и четвертый 23 ключи, первый 24 и второй 25 тактовые входы, вход 26 опроса результата, информационный вход 27 и информационный выход 28.

В блоке 15 вычисления поправки информационные входы узлов 16 и 17 памяти объединены и являются информационным входом 27 блока, выход узла 16 памяти соединен с информационными входами ключей 20 и 21, а выход узла 17 памяти соединен с информационными входами ключей 22 и 23, вход записи узла 16 памяти и управляющие входы ключей 20 и 22 объединены и являются первым тактовым входом 24 блока, а вход записи узла 17 памяти, соединенный с управляющими входами ключей 21 и 23, является вторым тактовым входом 25 блока. Выходы ключей 20 и 22 объединены и соединены с первым информационным входом узла 19 деления, второй информационный вход которого подключен к выходам ключей 21 и 23, а выход узла 19 деления соединен с информационным входом узла 18 памяти, выход которого является информационным выходом 28 блока, входом опроса результата которого является вход записи узла 18 памяти.

Коммутатор 13 импульсов может быть выполнен, например, в виде триггера 29 со счетным входом, прямой и инверсный выходы которого подключены соответственно к входам формирователей 30 и 31 импульсов, выход формирователя 30 соединен со всеми входами 24 блоков 15, а выход формирователя 31 подключен к входам 25 всех блоков 15.

Узел 14 синхронизации содержит генератор 32 тактовых импульсов, триггер 33, единичный и нулевой входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора 32 тактовых импульсов, элемент ИЛИ 34 и формирователь импульсов 35, выход которого соединен с одним входом элемента ИЛИ 34, другой вход которого подключен к первому выходу генератора 32 тактовых импульсов. Первым тактовым выходом узла 14 синхронизации является прямой выход триггера 33, который соединен с входом источника 9 стабильного излучения, вторым тактовым выходом узла 14 является выход элемента ИЛИ 34, соединенный с установочными входами интеграторов 6, а третьим тактовым выходом узла 14 является второй выход генератора 32 тактовых импульсов, соединенный со счетным входом триггера 29 и входами 26 блоков 15 вычисления поправки.

Формирователи 30 и 31 импульсов вырабатывают импульсы по перепаду напряжения (фронту сигнала) с соответствующего выхода триггера 29.

Узел 9 управления шторками может быть выполнен, например, в виде электромагнита, включение и выключение которого осуществляется сигналом с выхода триггера 28. Подвижная часть электромагнита кинематически связан со шторками 3 и 11 и изменяет их положение в зависимости от режима работы анализатора.

В режиме измерений оптический вход 2 открыт, а шторка 11 установлена в положение, при котором связь между источником 10 и световодом 12 отсутствует.

В режиме фотоконтроля, наоборот, оптический вход 2 закрыт, а шторка 11 не препятствует прохождению оптического сигнала от источника 10 к световоду 12.

В исходном состоянии интеграторы 6 обнулены, в узлы памяти 16, 17 и 18 записаны сигналы единичного уровня, триггеры 29 и 33 установлены в состояние, при котором единичные сигналы имеются на их инверсных выходах, сигналы на выходе генератора 32 отсутствуют, в фотоприемниках 5 установлены значения чувствительностей (коэффициентов усиления), соответствующие интенсивности излучения анализируемой спектральной линии.

Так как интенсивность излучения источника 9 (спектральной лампы) во всем частотном диапазоне примерно одинакова, то для исключения перестройки фотоприемников при переходе в режим фотоконтроля осуществляется согласование чувствительности фотоприемников и интенсивности излучения источника 8 следующим образом.

Пусть чувствительность первого, второго и третьего каналов анализатора в относительных единицах составляет отношение 100:10:1. Тогда диаметры моноволокон, подводящих излучение от источника 9 к первому, второму и третьему фотоприемникам, должны относиться как 0,1:0,31:1, так как величина излучения, подводимого по моноволокну, пропорциональна площади сечения световода.

После проведения такого согласования продолжительность режима фотоконтроля определяется только продолжительностью измерений в этом режиме. В связи со значительным сокращением продолжительности режима фотоконтроля возникает возможность более частого его проведения, например, в интервале времени, когда осуществляется смена пробы.

Анализатор работает следующим образом.

Один период работы анализатора Т состоит из режима фотоконтроля продолжительностью Т_к и режима измерений продолжительностью Т_и. После запуска генератор 32 начинает вырабатывать две последовательности импульсов одинаковой частоты, сдвинутые во времени на величину продолжительности режима фотоконтроля Т_к (фиг. 2).

Каждый импульс с первого выхода генератора 32, соответствующий началу очередного цикла работы, через элемент ИЛИ 34 обнуляет все интеграторы 6 и переводит триггер 33 в состояние, при котором на его прямом выходе появляется сигнал логической единицы, который запускает узел 9 управления шторками. Узел 9 перемещает шторку 3 в положение, при котором она закрывает оптический вход 2 полихроматора, а шторка 11 переводится в положение, при котором излучение от включенного заранее источника 10, находящегося в номинальном режиме, через моноволокна световодов поступает на свои фотоприемники 5, сигнал с выхода которых интегрируется интеграторами 6.

Сигнал окончания режима фотоконтроля со второго выхода генератора 32 переводит триггер 33 в состояние, при котором узлом 9 шторки 3 и 11 переводятся в положение, при котором открывается оптический вход 2 и закрывается источник 10. Анализатор переходит в режим измерений.

Этим же сигналом со второго выхода генератора 32 триггер 29 переводится в состояние, при котором появляется сигнал высокого уровня на его прямом выходе. По фронту этого сигнала формирователь 30 вырабатывает импульс, который поступает на входы записи узлов 16 памяти, записывая в них сигналы с выхода соответствующего интегратора 6, характеризующего уровень контрольного сигнала в конце режима фотоконтроля. Длительность сигналов формирователей импульсов 30 и 31 выбирается больше длительности переходных процессов записи информации в узлы 16 и 17 памяти и длительности процесса деления в узле 19 деления. Поэтому сигнал после записи в узел 16 памяти поступает через замкнутый ключ 20 на вход, обозначенный на фиг. 1 как X^к _i величина сигнала на выходе интегратора в i м режиме фотоконтроля.Одновременно под воздействием сигнала с выхода формирователя 30 замыкается ключ 22 и на другой вход узла 19 деления поступает сигнал с выхода узла 17 памяти X^к _i-1 - величина сигнала на выходе интегратора в предыдущем режиме фотоконтроля. Результат деления X^к _i-1/X^к _i сигналом со второго выхода генератора 32 записывается в узел 16 памяти и является поправочным коэффициентом для измерений, который характеризует нестабильность коэффициента усиления фотоприемника. В основу его определения положены следующие обстоятельства.

Пусть стабильность коэффициента усиления фотоприемника идеальна - постоянна во времени. Так как в каждом режиме фотоконтроля на фотоприемник по моноволокну подается один и тоже сигнал, то на выходе интегратора в конце всех режимов фотоконтроля будет одна и та же величина сигнала, а полученное в результате деления значение поправочного коэффициента равно 1.

Пусть теперь чувствительность фотоприемника изменяется во времени. Например, при увеличении уровня шумов напряжение на выходе фотоприемника возросло, соответственно возросла и величина сигнала на выходе интегратора к концу режима фотоконтроля. В результате вычислений поправочный коэффициент характеризует степень нестабильности преобразования фотоприемника за предыдущий цикл измерений. Умножая на этот коэффициент результаты анализа, можно учесть влияние нестабильности характеристик фотоприемника во времени. Эту задачу выполняют узлы 7.

После записи в узлы 18 памяти вычисленного значения поправочного коэффициента сигнал формирователя 35 вырабатывается по срезу импульса, с выхода генератора 32, интеграторы 6 обнуляются и начинается режим измерений. В нем излучение от источника, поступающее через вход 2, разлагается в спектр полихроматором 1 и поступает на фотоприемники 5, которые преобразуют оптический сигнал в электрический, накапливаемый на интеграторах 6. Умножение в узлах 7 на поправочный коэффициент позволяет учесть нестабильность характеристик фотоприемников.

На фиг. 2 показан случай, когда увеличиваются шумы фотоприемника, и поэтому величина поправочного коэффициента уменьшается.

При переходе к следующему режиму фотоконтроля, он осуществляется аналогично, только запись сигнала осуществляется в узел 17 памяти, а содержимое узла 16 памяти характеризует уже предыдущий режим фотоконтроля. Таким образом происходит последовательная запись контрольных сигналов или в узел 16 или в узел 17 памяти. Но коммутация ключей 20 23 осуществляется таким образом, что всегда на первый вход узла деления поступает сигнал, относящийся к текущему режиму фотоконтроля, а на второй вход к предыдущему режиму.

Так как в исходном состоянии в узлы памяти записываются единичные сигналы, то в самом первом после включения режиме фотоконтроля значение коэффициента может отличаться от истинного. Однако, этот первый цикл можно не учитывать. Если же записывать в исходном состоянии в узел 17 памяти сигнал, соответствующий исходной чувствительности фотоприемника, то можно использовать все циклы без исключения.

Таким образом, из описания работы анализатора видно, что в нем отсутствует необходимость перестройки фотоприемников при изменении режима работы, значительно сокращена продолжительность режима фотоконтроля, обеспечена возможность их более частого проведения, Возможно применение фотоприемников с более низкими характеристиками стабильности преобразования сигналов, так как эти нестабильности возможно учесть в процессе измерений.

Использование: спектральные приборы с фотоэлектрической регистрацией излучения. Сущность изобретения: фотоэлектрический анализатор спектра содержит источник стабильного излучения, световод, состоящий из моноволокон разного диаметра и шторки с узлом управления, фоторегистрирующую схему, что позволяет сократить продолжительность режима фотоконтроля, обеспечить номинальный режим работы фотоприемников, а также компенсировать погрешность, обусловленную нестабильностью характеристик фотоприемников. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Фотоэлектрический анализатор спектра, содержащий полихроматор с оптическим входом и оптическими выходами, оптически связанными с фотоприемниками, выходы которых соединены соответственно с информационными входами интеграторов, и регистратор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит источник стабильного излучения, световод, состоящий из моноволокон разного диаметра, выбираемого из условия согласования интенсивности источника стабильного излучения и чувствительности соответствующего фотоприемника, шторку, установленную между источником стабильного излучения и входом световода с возможностью прерывания оптической связи между источником стабильного излучения и световодом, выход которого посредством моноволокон оптически связан с входами соответствующих фотоприемников, шторку, установленную у оптического входа полихроматора с возможностью его прерывания, а также узел управления шторками, выход которого кинематически связан со шторками, коммутатор импульсов, узел синхронизации и К блоков вычисления поправки, вход запуска узла управления шторками соединен с первым тактовым выходом узла синхронизации, второй тактовый выход которого подключен к установочным входам интеграторов, выходы которых подключены соответственно к первым информационным входам соответствующих узлов умножения, выходы которых подключены соответственно к входам регистратора, выход каждого интегратора соединен с информационным входом соответствующего блока вычисления поправки, выход которого подключен к второму информационному входу соответствующего узла умножения, третий тактовый выход узла синхронизации соединен с входами опроса результатов всех блоков вычисления поправки и входом коммутатора импульсов, первый тактовый выход которого соединен с первым тактовым входом всех блоков вычисления поправки, вторые тактовые входы которых подключены к второму тактовому выходу коммутатора импульсов. 2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что узел синхронизации содержит генератор тактовых импульсов, триггер, элемент ИЛИ и формирователь импульсов, причем первый выход генератора тактовых импульсов соединен с первым входом элемента ИЛИ и единичным входом триггера, прямой выход которого является первым тактовым выходом узла синхронизации, вторым тактовым выходом которого является выход элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого и нулевой вход триггера объединены и соединены с вторым выходом генератора тактовых импульсов, являющимся выходом узла синхронизации. 3. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что блок вычисления поправки состоит из трех узлов памяти, узла деления и четырех ключей, причем в каждом блике выход первого узла памяти соединен с информационными входами первого и второго ключей, а выход второго узла памяти подключен к информационным входам третьего и четвертого ключей, выходы первого и третьего ключей объединены и соединены с первым информационным входом узла деления, второй информационный вход которого подключен к выходам второго и четвертого ключей, выход узла деления соединен с информационным входом третьего узла памяти, выход которого является выходом блока, вход записи третьего узла памяти является входом опроса результатов блока, первым тактовым входом которого является вход записи первого узла памяти, объединенный с управляющими входами первого и третьего ключей, а вторым тактовым входом блока являются объединенные вход записи второго узла памяти и управляющие входы второго и четвертого ключей, объединенные информационные входы первого и второго узлов памяти являются информационным входом блока вычисления поправки.