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 спектрально анализа различных материалов.

Из уровня техники известна фотоэлектрическая установка для спектрального анализа, состоящая из источника света, спектрального прибора, фотоприемника, коммутатора, интеграторов и измерительного устройства [1]
Ближайшим аналогом изобретения является фотоэлектрическая установка для спектрального анализа, содержащая спектральный прибор, на оптическом выходе которого установлены фотоприемники, каждый из которых через электрический ключ и интегратор соединен с соответствующим входом регистратора [2]
Все известные спектральные установки обладают следующим недостатком.

Для контроля фотоэлектрической воспроизводимости используется режим фотоконтроля, в котором на фотоприемники поступает излучение от стабильного источника-фотометрической лампы. При этом на все фотоприемники поступает неразложенный свет близкой по величине интенсивности, что отрицательно сказывается на работе фотоприемников. 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 фотоэлектронных умножителях, она определяется величиной анодного напряжения.

Поэтому при изменении режимов работы установок приходится изменять режим работы (чувствительность) фотоприемников и учитывать время выхода их на новый режим работы. При большом количестве каналов эта операция занимает длительное время.

Для стабильной работы фотоприемников необходимо, чтобы они всегда находились под определенным, выбранным из характеристики анализируемой линии, напряжением. Нарушение этого условия при несогласовании интенсивности излучения и чувствительности фотоприемника может привести к длительному простою фотоприемника из-за его перенасыщения.

Кроме того, для выхода на номинальный режим работы источника стабильного напряжения необходимо также продолжительное время.

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

Второй недостаток вытекает из малого числа режимов фотоконтроля и больших 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, приводящий к возникновению новых погрешностей.

Для исключения этого недостатка при отборе фотоприемников предъявляются очень высокие требования к их характеристикам, что приводит к увеличению стоимости анализаторов.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка анализатора, в котором при использовании исключена операция перестройки чувствительности фотоприемников при изменении режимов работы, а также возможно применение фотоприемников с невысокими значениями стабильности величины чувствительности без увеличения погрешностей измерения.

Технический результат от использования изобретения заключается в сокращении продолжительности переходов при изменении режимов работы за счет исключения операции установки чувствительности фотоприемников.

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

Второй дополнительный технический результат состоит в компенсации погрешностей измерений, обусловленных нестабильностью характеристик фотоприемников.

Этот технический результат достигается тем, что фотоэлектрический анализатор спектра, содержащий полихроматор с оптическим входом и оптическими выходами, оптически связанными с фотоприемниками, выходы которых соединены соответственно с информационными входами интеграторов, 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 перекрытия, а также узел управления шторками, формирователь импульсов и блок вычисления поправки, при этом шторки кинематически связаны с выходом узла управления шторками, вход запуска которого соединен с первым выходом генератора импульсов и входом формирователя импульсов, выход которого подключен к установочным входам интеграторов и первому тактовому входу блока вычисления поправки, второй тактовый вход которого соединен с вторым выходом генератора импульсов, информационные входы блока вычисления соединены соответственно с выходами интеграторов, а выходы блока вычисления поправки являются выходами анализатора.

Этот технический результат достигается также тем, что блок вычисления поправки содержит два ключа, два коммутатора импульсов, триггер, К узлов памяти, К узлов постоянной памяти, К узлов умножения и К узлов деления, причем счетный вход триггера является первым тактовым входом блока, вторым тактовым входом которого является объединенные информационные входы первого и второго ключей, управляющие входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, выход первого ключа соединен с управляющим входом первого коммутатора импульсов, а выход второго ключа подключен к управляющему входу второго коммутатора импульсов, выход каждого узла постоянной памяти соединен с первым информационным входом соответствующего узла деления, второй информационный вход которого подключен к выходу соответствующего узла памяти, а выход каждого узла деления соединен с первым информационным входом соответствующего узла умножения, второй информационный вход которого подключен к соответствующему выходу первого коммутатора импульсов, выходами блока вычисления поправки являются выходы узлов умножения, выходы второго коммутатора импульсов подключены соответственно к выходам записи узлов памяти, информационный вход каждого узла памяти соединен с соответствующим информационным входом первого коммутатора и является соответствующим информационным входом блока вычисления поправки.

На фиг.1 приведена схема анализатора; на фиг.2 один из возможных вариантов реализации блока вычисления поправки; на фиг.3 временные диаграммы работы, на которых приведены сигналы на выходах элементов цифровые позиции которых обозначены у оси ординат.

Анализатор содержит полихроматор 1 с оптическим входом 2, оптическими выходами 3, шторку 4, каждый оптический выход полихроматора оптически связан с входом соответствующего фотоприемника 5, выходы которых соединены соответственно с информационными входами интеграторов 6, выходы которых соединены соответственно с информационными входами блока 7 вычисления поправки, имеющего первый 8 и второй 9 тактовые входы, узел 10 управления шторками, источник 11 стабильного излучения, оптически связанный с входом световода 12, состоящего из моноволокон разного диаметра, выход которого посредством моноволокон оптически связан с входами соответствующих фотоприемников 5, между источником 11 стабильного излучения и входом световода 12 установлена шторка 13 с возможностью прерывания между ними оптической связи, шторки 4 и 13 кинематически связаны с выходом узла 10 управления шторками, формирователь 14 импульсов и генератор 15 импульсов, первый выход 16 которого соединен с входом запуска узла 10 управления шторками и входом формирователя 14 импульсов, выход которого подключен к установочным входам интеграторов 6 и первому тактовому входу 9 блока 7 вычисления поправки, второй тактовый вход которого соединен с вторым выходом 17 генератора 15 импульсов.

Блок 7 вычисления поправки содержит первый 18 и второй 19 ключи, триггер 20, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно с управляющими входами ключей 18 и 19, выходы которых подключены к управляющим входам первого 21 и второго 22 коммутаторов импульсов, узлы 23 памяти, узлы 24 деления, узлы 25 постоянной памяти, узлы 26 умножения, выходы которых являются выходами блока, а их первые информационные входы соединены соответственно с выходами узлов 24 деления, первые информационные входы которых подключены соответственно к выходам узлов 25 постоянной памяти, выходы второго коммутатора 22 импульсов соединены соответственно с входами записи узлов 23 памяти, выходы которых подключены соответственно к вторым информационным входам узлов 24 деления, а вторые информационные входы узлов 26 умножения соединены соответственно с выходами коммутатора 21 импульсов, информационный вход каждого узла 23 памяти является соответствующим информационным входом блока и соединен с соответствующим информационным входом коммутатора 21 импульсов, информационные входы ключей 18 и 19 являются вторым тактовым входом блока, первым тактовым входом которого является счетный вход триггера 20.

Цикл работы Т анализатора складывается из режима фотоконтроля длительностью Т_к и режима измерений длительностью Т_и.

Формирователь 14 импульсов вырабатывает импульсы по фронту и срезу импульса с первого выхода генератора 15.

Узел управления шторками 10 может быть выполнен, например, в виде электромагнита, цепь питания которого включается сигналом с выхода генератора, а подвижная часть электромагнита кинематически связана со шторками 4 и 13, изменяя их положение.

В режиме измерений оптический вход 2 открыт, а связь между источником 11 и световодом 12 отсутствует. В режиме фотоконтроля, наоборот, вход 2 перекрыт, а шторка 13 не препятствует прохождению оптического сигнала от источника 11 к световоду 12.

Узлы постоянной памяти могут быть выполнены также и в виде источника напряжения, величина которого равна величине сигнала, снимаемого с выхода соответствующего интегратора в конце режима фотоконтроля при номинальной чувствительности соответствующего приемника 5.

Коммутатор 21 под воздействием управляющих импульсов последовательно соединяет свой первый вход с первым выходом и т.д.

Коммутатор 22 под воздействием входных импульсов поочередно подает сигналы на вход записи узлов 23 памяти.

В исходном состоянии источник 11 работает в номинальном режиме. Коммутаторы 21 и 22 находятся в нейтральном состоянии, триггер 20 находится в состоянии, при котором единичный сигнал имеется на его инверсном выходе, в узлы 25 постоянной памяти введены сигналы, величина которых пропорциональна номинальной чувствительности соответствующих фотоприемников 5.

По запуску генератора 15 импульсов на его первом выходе 16 (фиг.3) вырабатывается периодическая последовательность импульсов, длительность которых равна длительности режима фотоконтроля Т_к, а интервал между импульсами равен длительности режима измерений Т_и. По фронту этого импульса формирователь 14 вырабатывает импульс, который обнуляет интеграторы 6 и переводит триггер 20 в состояние, при котором единичный сигнал с его инверсного выхода подается на управляющий вход ключа 19 и замыкает его на все время фотоконтроля. Узел 10 управления на время фотоконтроля закрывает вход 2 и излучение от источника 11 подается на входы фотоприемников 5 по моноволокнам световода 12. Перед началом работы в каждом фотоприемнике была установлена своя величина чувствительности, соответствующая интенсивности анализируемой спектральной линии. Так как интенсивность излучения источника 10 во всем частотном диапазоне примерно одинакова, то для исключения перестройки чувствительности фотоприемников при переходе из режима в режим осуществляется согласование чувствительности приемников с интенсивностью излучения источника 10 следующим образом.

Для этого диаметр моноволокна подбирается таким образом, чтобы интенсивность сигнала, подводимая к фотоприемнику в режиме фотоконтроля соответствовала номинальной чувствительности фотоприемника.

Рассмотрим процесс согласования на следующем примере.

Пусть величина светового потока спектральной составляющей составляет 10^-7 лм. Для обеспечения номинального напряжения на входе интегратора, например, 0,3 В коэффициент усиления фотоприемника должен составлять 3•10⁶ В/лм.

Допустим, что величина освещенности спектральной лампы составляет 10^-1 лм/м². Тогда выбрав площадь сечения моноволокна 10^-6 м², получим величину светового потока, подводимую от лампы на фотоприемник тоже 10^-7лм.

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

В основу компенсации нестабильности характеристик фотоприемников положены следующие соображения.

Если коэффициент усиления фотоприемника стабилен (постоянен во времени), то к концу каждого режима фотоконтроля на выходе интегратора будет сигнал одной и той же величины Xнi

, соответствующее номинальному значению чувствительности фотоприемника. Если же к концу режима фотоконтроля величина сигнала на выходе интегратора составит Xкi (t), то отношение (t) представляет поправочный коэффициент усиления фотоприемника, а действительное значение величины сигнала i-го канала в конце t-го цикла измерений Xдi (t) определяется из соотношением

где величина сигнала интегратора i-го, соответствующего номинальному коэффициенту усиления фотоприемника;
величина сигнала интегратора i-го канала в конце t-го режима фотоконтроля;
величина сигнала интегратора i-го канала в конце t-го режима измерений;
t-текущий номер цикла работы, t=1,2,3,
В режиме фотоконтроля оптический сигнал, поступающий по световоду к фотоприемникам, преобразуется ими в электрический, который интегрируется соответствующим интегратором. В конце режима фотоконтроля на выходе 17 генератора 15 появляется пачка импульсов, число которых равно (К+1). Эти импульсы через ключ 19 поступают на коммутатор 22 и последовательно переводят его из состояния в состояние последовательно осуществляя запись информации в узлы 23 памяти. Последний (К+1)-ный импульс переводит коммутатор 22 в нейтральное состояние. После записи информации в узлы 23 памяти на выходе каждого узла 24 появляется сигнал, величина которого равна значению поправочного коэффициента в l-ом канале. Так как длительность переходных процессов в каждом канале невелика, то общая длительность пачки импульсов значительно меньше длительности режима фотоконтроля. На фиг.3 изменение масштабов произведено с целью увеличения наглядности изображения.

После окончания режима фотоконтроля сигнал на выходе генератора 15 исчезает и устройством 10 шторки переводятся в рабочий режим, когда оптический вход 2 открыт, а связь между источником 11 и световодом 12 отсутствует. Импульс с выхода формирователя 14 обнуляет интеграторы 6 и переводит триггер 20 в состояние, когда замыкается ключ 18. В режиме измерений излучение от источника, поступающее через вход 2, разлагается полихроматором и поступает на фотоприемники 5, которые преобразует оптический сигнал в электрический, накапливаемый интеграторами 6. Появляющаяся в конце режима измерений пачка импульсов на втором выходе генератора 15 через ключ 18 поочередно подключает выходы интеграторов через коммутатор 21 к вторым информационным входам своих узлов 26 умножения. На период наличия на обоих входах узлов 26 умножения сигналов, на их выходах образуется сигнал величиной Xдi

(t). Таким образом на выходах блока 7 поочередно появляются сигналы, учитывающие нестабильность коэффициента усиления фотоприемников.

Использование: спектральные приборы с фотоэлектрической регистрацией излучения. Сущность изобретения: фотоэлектирический анализатор спектра содержит источник стабильного излучения, световод, состоящий из моноволокон разного диаметра и шторки с узлом управления, что позволяет сократить продолжительность перехода из режима фотоконтроля в рабочий режим и обратно. 1 з.п. ф-лы, 3 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, 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 монохроматора с возможностью его перекрытия, а также узел управления шторками, формирователь импульсов, генератор импульсов и блок вычисления поправки, при этом шторки кинематически связаны с выходом узла управления шторками, вход запуска которого соединен с первым выходом генератора импульсов и входом формирователя импульсов, выход которого подключен к установочным входам интеграторов и первому тактовому входу блока вычисления поправки, второй тактовый вход которого соединен с вторым выходом генератора импульсов, информационные входы блока вычисления поправки соединены соответственно с выходами интеграторов, а выходы блока вычисления поправки являются выходами анализатора. 2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что блок вычисления поправки содержит два ключа, два коммутатора импульсов, триггер, К узлов памяти, К узлов постоянной памяти, К узлов умножения и К узлов деления, причем счетный вход триггера является первым тактовым входом блока, вторым тактовым входом которого являются объединенные информационные входы первого и второго ключей, управляющие входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, выход первого ключа соединен с управляющим входом первого коммутатора импульсов, а выход второго ключа подключен к управляющему входу второго коммутатора импульсов, выход каждого узла постоянной памяти соединен с первым информационным входом соответствующего узла деления, второй информационный вход которого подключен к выходу соответствующего узла памяти, а выход каждого узла деления соединен с первым информационным входом соответствующего узла умножения, второй информационный вход которого подключен к соответствующему выходу первого коммутатора импульсов, выходами блока вычисления поправки являются выходы узлов умножения, выходы второго коммутатора импульсов подключены соответственно к входам записи узлов памяти, информационный вход каждого узла памяти соединен с соответствующим информационным входом первого коммутатора и является соответствующим информационным входом блока вычисления поправки.