АНАЛОГОВЫЙ ПРОЦЕССОР ОПТИКО-СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗАТОРА Российский патент 1997 года по МПК G01N21/64 G01J3/42 

Изобретение относится к области спектрального анализа и может найти применение для качественного и количественного контроля состава пород, технологических продуктов, биологических объектов и т.п.

Типичная схема атомно-абсорбционного спектрофотометра содержит последовательно распложенные источник света, атомизатор, монохроматор и фотоприемник, выход которого через предварительный усилитель соединен со входом аналогового процессора или аналого-цифрового преобразователя. Как правило в схеме имеется опорный канал и процессор, осуществляющий математическую обработку и коррекцию данных. В состав процессора входят блоки постоянной и оперативной памяти, таймер, арифметический блок, блок прерываний и т.д. (патент Великобритании N 2079449, кл. G 01 J 3/10, 1982, патенты США N 5179423, кл. G 01 J 3/42, 1993; N 4726679, кл. G 01 N 21/72, 1988 и N 4815847, кл. G 01 N 21/72, 1989).

Подобные анализаторы позволяют проводить измерения в сложных матрицах, однако характеризуются недостаточной чувствительностью. Кроме того цифровые сигнальные процессоры сложны и дороги, а в ряде случаев способствуют дополнительному снижению чувствительности
Более высокой чувствительностью обладают флуоресцентные анализаторы, блок-схема которых аналогична вышеописанной (ЕПВ N 0330183, кл. G 01 J 3/443, 1989 или патенты США N 5194916, мл. G 01 J 3/443, 1993 и N 4572668, кл. G 01 J 3/443, 1986).

Однако эти приборы не дают достоверных показаний в сложных матрицах. А при использовании в их составе цифровых сигнальных процессоров, последние привносят вышеупомянутые недостатки: высокая стоимость, сложность и дополнительное снижение чувствительности.

Известен гетеродинный анализатор, способный работать как в режиме абсорбции, так и в режиме флуоресценции (патент США N 5022757, кл. G 01 N 21/64, 1991).

Он содержит сканнер, спектральный фильтр, пространственный фильтр, детектор, полосовой фильтр, лазер с расщепителем луча и блоком сдвига частоты, аналоговый и центральный процессоры, процессор отображения и дисплей с соответствующими связями. На объект направляются два луча различной частоты, оба сигнала регистрируются. Сигнал на частоте биений используется для коррекции и определения количества вещества.

Эти операции осуществляются в цифровом сигнальном процессоре, которому, таким образом, свойственны упомянутые недостатки: сложность, высокая стоимость и низкая разрешающая способность.

Наиболее близким к предложенному является аналоговый процессор оптико-спектрального анализатора, содержащий последовательно соединенные предварительный усилитель и логарифмический усилитель (патент США N 4718763, кл. G 01 N 21/72, 1988).

Поскольку этот процессор может работать только в одном режиме, его выходная информация недостаточно достоверна, а область возможного использования и функциональные возможности ограничены. Кроме того известный аналоговый процессор не обеспечивает работы анализатора в режиме коррекции, что снижает точность анализа.

Таким образом техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является расширение функциональных возможностей и области применения сигнального процессора при сохранении его высокой разрешающей способности, простоты и невысокой стоимости, повышение достоверности его показаний; создание прибора, который обеспечивает точный количественный анализ веществ любого состава.

Указанный результат достигается тем, что аналоговый процессор оптико-спектрального анализатора, содержащий логарифмический усилитель, снабжен преобразователем ток-напряжение, блоком компенсации фона, импульсным генератором, распределителем импульсов, двумя интеграторами, ключом, инвертором, тремя мультиплексорами, блоком вычитания, источником опорного напряжения, блоком масштабирования и блоком выборки-хранения, при этом вход аналогового процессора соединен со входом преобразователя ток-напряжение, выход которого соединен с информационным входом блока компенсации фона, выход которого соединен с информационным входом первого интегратора, выход которого соединен со входами ключа и логарифмического усилителя, выходы которых объединены и соединены с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого мультиплексора, информационные входы которого соединены с выходом источника опорного напряжения и общей шиной соответственно, выход блока вычитания подключен к информационному входу блока выборки-хранения, первый выход которого соединен с входом инвертора и первым информационным входом второго мультиплексора, второй информационный вход которого соединен с выходом инвертора, причем выход второго мультиплексора подключен к информационному входу второго интегратора и первому информационному входу третьего мультиплексора, второй информационный вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго интегратора и входом блока масштабирования, выход которого подключен к информационному выходу аналогового процессора, управляющие входы которого подключены к управляющим входа мультиплексоров, ключа и второго интегратора, выход импульсного генератора соединен со входом распределителя импульсов, выходы которого подключены к управляющим входам блока выборки-хранения, блока компенсации фона и первого интегратора, а также к управляющим выходам аналогового процессора, а второй выход блока выборки-хранения соединен с третьим входом блока вычитания или с третьим информационным входом первого мультиплексора.

Целесообразно также снабдить аналоговый процессор вторым ключом и блоком коррекции, выход и информационный вход которого подключены соответственно к третьему входу блока вычитания и выходу второго ключа, информационный и управляющий входы которого соединены с выходом блока выборки-хранения и одним из управляющих входов аналогового процессора.

При этом второй выход блока коррекции может быть соединен с управляющим входом распределителя импульсов.

кроме того, аналоговый процессор может быть выполнен с двумя блоками сравнения, подключенными к выходам первого интегратора и блока коррекции.

Рекомендуется также один из управляющих входов аналогового процессора подключить к управляющему входу блока масштабирования и/или блока компенсации фона.

Помимо этого, блок компенсации фона может быть выполнен в виде интегратора, мультиплексора и блока вычитания, причем информационный вход блока компенсации фона соединен с первым информационным входом мультиплексора и входами интегратора и блока вычитания, выход которого соединен со вторым информационным входом мультиплексора, выход которого соединен с выходом блока компенсации фона, управляющие входы которого подключены к управляющим входам интегратора и мультиплексора.

Кроме того, первый интегратор может быть выполнен в виде интегратора со сбросом, демультиплексора, двух мультиплексоров и корректора, при этом информационный вход интегратора соединен со входом демультиплексора, выходы которого подключены ко входам соответствующих мультиплексоров, первые и вторые разноименные выходы которых соединены соответственно с информационным входом интегратора со сбросом и первым выводом корректора, второй вывод которого подключен к информационному входу интегратора со сбросом, управляющий вход которого вместе с управляющими входами демультиплексора образуют первую группу управляющих входов интегратора, вторая группа управляющих входов которого образована объединенными управляющими входами мультиплексоров и подключена к соответствующим входам аналогового процессора.

Целесообразно также блок выборки-хранения выполнить в виде демультиплексора и двух блоков хранения, а первый мультиплексор аналогового процессора в виде двух мультиплексоров, при этом информационный вход блока выборки-хранения образован входом демультиплексора, выходы которого соединены со входами блоков хранения, выход первого из которых образует первый выход блока выборки-хранения, а выход второго соединен с третьим информационным входом первого мультиплексора аналогового процессора, образованным первым входом первого мультиплексора, второй вход и выход которого соответственно соединены с первым информационным входом первого мультиплексора аналогового процессора и с первым входом второго мультиплексора, второй вход и выход которого образуют второй информационный вход и выход первого мультиплексора аналогового процессора.

И, наконец, рекомендуется распределитель импульсов выполнить в виде элемента ИЛИ, восьми формирователей, стабилизатора тока и двух мультиплексоров с объединенными управляющими входами, подключенными к соответствующему входу аналогового процессора, при этом первый, второй, третий и четвертый, пятый, шестой формирователи соединены последовательно, входы седьмого и восьмого формирователей объединены и подключены к входу распределителя импульсов аналогового процессора, выходы седьмого и восьмого формирователей соединены соответственно с объединенными первым входом синхронизации стабилизатора тока и входом первого формирователя и с объединенными вторым входом синхронизации стабилизатора тока и входом третьего формирователя, причем выходы первого и третьего формирователей соединены со входами элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом сброса первого интегратора аналогового процессора, входы выборки которого соединены с выходами второго и четвертого формирователей, выходы третьего и шестого формирователей подключены к управляющим входам демультиплексора блока выборки хранения аналогового процессора, а выходы стабилизатора тока соединены с информационными входами мультиплексоров, выходы которых соединены с выходами питания аналогового процессора.

При этом возможно первые выходы мультиплексоров соединить с выходом питания линейчатого источника света для режима флуоресценции, а вторые выходы мультиплексоров соответственно с выходом питания линейчатого источника света для режима абсорбции.

На фиг. 1 изображена функциональная схема анализатора, в состав которого входит предлагаемый процессор; фиг. 2 схема блока компенсации фона; на фиг. 3 представлена схема интегратора; на фиг. 4 блока выборки-хранения; фиг. 5 - 7 иллюстрируют возможное выполнение распределителя импульсов.

Показанный на фиг. 1 анализатор содержит линейчатые источники 1 и 2 света (лампы ЛПК и ЛК), а в частном случае и широкополосный источник 1а света (ксеноновую лампу или, так называемый, дейтериевый корректор), атомизатор (горелку) 3, монохорматор 4, фотоприемник (например, фотоэлектронный умножитель) 5, преобразователь 6 ток-напряжение, блок 7 компенсации фона, первый интегратор 8, первый ключ 9, логарифмический усилитель 10, блок 11 вычитания, блок 12 выборки-хранения, распределитель 13 импульсов, генератор 14 импульсов, источник 15 опорного напряжения, первый мультиплексор 16, блок 17 управления режимом работы, инвертор 18, второй мультиплексор 19, второй интегратор 20, третий мультиплексор 21, блок 22 масштабирования, блок 23 регистрации, блок 24 сравнения (перегрузка по максимуму), второй ключ 25, блок 26 коррекции и блок 27 сравнения (перегрузка по минимуму). В изображенном на фиг. 1 варианте, второй выход блока 12 непосредственно соединен с третьим входом блока 11.

Линейчатые источники 1 и 2 образуют управляемый источник света, который может работать в режиме абсорбции (включен источник 1), флуоресценции (включен источник 2) и эмиссии (включены оба).

В качестве управляемого линейчатого источника света может быть использован и один источник, способный изменять параметры излучения (спектр, интенсивность), геометрию или работать по меньшей мере в двух режимах без изменения параметров.

Аналоговый или сигнальный процессор образован элементами 6-16, 17-22, 24-27. Он выполнен с возможностью работы в режимах абсорбции, флуоресценции и эмиссии.

Преобразователь 6 может быть выполнен в виде операционного усилителя.

Выполнение блока 7 показано на фиг. 2. Он может содержать интегратор 28, блок 29 вычитания и мультиплексор 30. Последний обеспечивает отключение блока 7. В случае отсутствия мультиплексора 30 выходом блока 7 является выход блока 29.

В состав интегратора 8 (фиг. 3) входят демультиплексор 31, мультиплексоры 32, 33, демультиплексор 34, корректор 35 (например, в виде блока переменных резисторов) и резисторы 36-38.

Блок 12 (фиг. 4) включает демультиплексор 39 и блоки 40, 41 хранения. Мультиплексор 16 может быть образован мультиплексорами 16' и 42.

В состав распределителя 13 могут входить (фиг. 5 и 6) формирователи 43-50 импульсов, элемент 51 ИЛИ, мультиплексоры 52, 53 и двухканальный стабилизатор 54 тока или двухканальный усилитель мощности.

Управляющие входы интеграторов 8, 20 и 28 представляют собой управляющие шины, на которые подаются сигналы выборки (этот сигнал замыкает входной ключ интегратора, определяя таким образом время интегрирования) и/или сброса.

На второй вход блока 11 подается уменьшаемое, на остальные вычитаемые с соответствующим знаком.

В качестве распределителя 13 можно использовать и стандартную микросхему (в этом случае возникает некоторая избыточность) или дешифратор, обеспечивающий требуемую временную диаграмму, вид которой однозначно определяется нижеприведенным описанием работы устройства. На выходах распределителя 13, подключенных к источникам 1, 2 и 1а могут быть установлены усилители мощности, обеспечивающие запитку источников 1, 2 импульсным током. Усилители могут быть отнесены и к источникам 1, 2. Они могут снабжаться выходными ключами, управляемыми от блока 17. Возможно также использование одного усилителя мощности (блока импульсного питания), установленного между распределителем 13 и источниками 1, 2, с выходным мультиплексором, управляемым от блока 17. Во всех описанных модификациях блок 17 обеспечивает включение и выключение любого из источников 1, 2. На выходах блока 13, соединенных с управляющими входами интегратора 8 и/или интегратора блока 7 могут быть установлены управляемые формирователи импульсов, изменяющие (одновременно или раздельно) длительность (скважность) импульсов, задающих время интегрирования, под действием одного или двух сигналов, поступающих на распределитель 13 от блока 26.

Все мультиплексоры и демультиплексоры, входящие в состав анализатора, управляются по одному или нескольким входам в зависимости от выполнения указанных блоков. Соответствующая группа входов для простоты именуется управляющим входом или шиной.

Блок 17 может быть выполнен в виде клавиатуры, наборного поля, блока тумблеров и т.п. снабженных таймером для управления интегратором 20 (задания времени интегрирования и сигнала сброса).

Блок 22 выполняется в виде усилителя с изменяемым коэффициентом передачи.

В качестве блока 23 может использоваться аналоговый или цифровой вольтметр.

На выходах компараторов блоков 24, 27 устанавливают индикаторы перегрузки.

Блок 26 может быть выполнен в виде источника постоянного напряжения, управляемого напряжением. Он может быть выполнен также в виде интегратора. Для управления длительностью выходных импульсов распределителя 13 блок 26 выполняется двухканальным (одинаковые каналы объединены по входу) или снабжается регулируемым источником напряжения, иным регулятором, воздействующим, например, на переменный резистор управляемого расширителя, формирователя импульсов в распределителе 13.

Сначала, для простоты, рассмотрим работу анализатора без учета коррекции с использованием источника 1а. В режиме абсорбции с помощью блока 17 включают источник 1, излучение которого поглощается атомами исследуемого вещества в атомизаторе 3. Прошедший монохроматор 4 свет регистрируется фотоприемником 5 и информационный сигнал в виде импульсов тока поступает на вход преобразователя 6.

Блок 7 предназначен для исключения из информационного сигнала постоянной составляющей фона. В принципе этого можно достичь, используя блок выборки-хранения, запоминающий уровень сигнала между информационными импульсами, и блок вычитания, уменьшающий информационный сигнал на эту величину. Однако применение интегратора 28 предпочтительно, так как позволяет снизить влияние помех.

На выходе интегратора 8, интегрирующего каждый поступающий импульс, возникает напряжение, пропорциональное вольтсекундной площади очередного импульса. Логарифм этого напряжения (ключ 9 разомкнут) с выхода усилителя 10 поступает на блок 11, где вычитается из постоянного напряжения источника 15 (5В). После фиксации величины разности блоком 12, осуществляется сброс интегратора 8. В результате, выходное напряжение блока 12 изменяется только под действием информативной составляющей сигнала. Это напряжение, минуя инвертор 18, поступает на блок 22 непосредственно или через интегратор 20, обеспечивающий экспозицию в течение заданного времени. Интенсивность данной спектральной линии отображается в блоке 23.

В режиме флуоресценции работает только источник 2. При этом ключ 9 замкнут, а на вход вычитаемого блока 11 подается нулевой сигнал с общей шины. Необходимое при этом изменение знака достигается инвертором 18, выходное напряжение которого через мультиплексор 19 поступает на интегратор 20 или непосредственно на блок 22. Рекомендуется также при переходе к режиму флуоресценции в атомизаторе 3 включать круглую горелку, что может делаться автоматически по сигналу от блока 17.

Точно также в автоматическом режиме, например с использованием электропривода, может осуществляться настройка монохроматора 4.

В режиме эмиссии отключают оба источника 1, 2 и блок 7, подавая через мультиплексор 30 не выходной сигнал вычитателя 29, а входной сигнал блока 7. В остальном этот режим совпадает с режимом флуоресценции (за исключением соответствующих изменений длины волны монохроматора 4, времени экспозиции и коэффициента передачи блока 22).

Настройку анализатора проводят на холостой и/или эталонной пробе. При этом в соответствующем режиме работы анализатора с помощью блока 17 замыкают ключ 25. Проще всего выполнить блок 26 в виде интегратора. При этом на выходе последнего возникает напряжение, компенсирующее входной сигнал блока 26. После размыкания ключа 25 это напряжение сохраняется, так что анализатор готов к работе в том или ином режиме. Если же блок 26 выполнен с двумя каналами и двумя выходами, то ключ 25 рекомендуется выполнить сдвоенным, с тем чтобы по соответствующим управляющим сигналам блока 17 производить раздельную подстройку напряжения на третьем входе блока 11 и длительности выходных импульсов распределителя 13.

Рассмотрим теперь работу узлов, участвующих в коррекции информационного сигнала с использованием источника 1а. В этом случае источники 1 (2) и 1а включаются поочередно. С этой целью на выходе генератора 14 может быть установлен распределитель импульсов или на входы формирователей 43 и 44 с выходов генератора 14 подаются последовательности несовпадающих импульсов. В результате интегратор 8 (изображенный на фиг. 3 интегратор 8 выполняется только со входом сброса, функция же выборки реализована демультиплексором 31) поочередно интегрирует информационный сигнал и сигнал коррекции. Предварительно настройкой корректора 35 и/или формирователя 46 добиваются равенства нулю показаний анализатора на холостой пробе, что свидетельствует о равенстве интенсивностей сигналов от линейчатого и широкополосного источников света. В процессе работы анализатора, сигнал коррекции фиксируется блоком 41 и вычитается из информационного сигнала постоянно или, как показано на фиг. 4, в режиме настройки, когда выход блока 41 подключен ко входу блока 11.

Аналогичным образом осуществляется коррекция и без использования источника 1а (фиг. 6, режим флуоресценции или фиг. 7). В этом случае роль источника 1а выполняет источник 2 или источники 1, 2, на которые попеременно поступают импульсы, обеспечивающие возникновение тлеющего и дугового разрядов. В последнем случае формируется широкополосный спектр с равномерным распределением.

Таким образом предлагаемый процессор позволяет работать в двух или трех выбранных режимах. При этом весьма существенно, что в режиме абсорбции, флуоресценции или эмиссии используются одни и те же блоки и элементы аналогового процессора. Это позволяет не только упростить устройство, снизить его стоимость и габариты, но и обеспечивает сопоставимость результатов анализа, проведенного различными методами. Это необходимо для уточнения результатов анализа, проведенного одним из методов. Необходимость использования одновременно нескольких режимов работы возникает и при анализе объектов неопределенного состава. Например, при анализе сточных вод сначала в режиме абсорбции определяют солевой состав, влияние матрицы и в случае незначительного неселективного поглощения переходят к режиму флуоресценции. Натрий и калий лучше идентифицировать в режиме эмиссии, а при определении меди необходимо использовать как режим абсорбции, так и режим флуоресценции. В то же время многочисленные цепи настройки и коррекции обеспечивают высокую точность измерений.

Проведенные испытания показали, что в режиме абсорбции чувствительность анализатора составляет 0,02 мкг/мл, а в режиме флуоресценции 0,001 мкг/мл.

Благодаря своим малым габаритам прибор может быть выполнен переносным и использован для автоматизированного экспресс-анализа.

Использование: спектральный анализ. Сущность изобретения: аналоговый процессор оптико-спектрального анализатора содержит логарифмический усилитель и снабжен преобразователем ток-напряжение, блоком компенсации фона, импульсным генератором, распределителем импульсов, двумя интеграторами, ключом, инвертором, тремя мультиплексорами, блоком вычитания, источником опорного напряжения, блоком масштабирования и блоком выборки-хранения. Благодаря наличию этих блоков и связям между ними процессор может работать в режимах абсорбции и флуоресценции, а также производить коррекцию по широкополосному источнику света или в широкополосном режиме работы линейчатого источника света. 7 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Аналоговый процессор оптико-спектрального анализатора, содержащий вход, управляющие входы, логарифмический усилитель, управляющие выходы и информационный выход, отличающийся тем, что он снабжен преобразователем ток
напряжение, блоком компенсации фона, импульсным генератором, распределителем импульсов, двумя интеграторами, ключом, инвертором, тремя мультиплексорами, блоком вычитания, источником опорного напряжения, блоком масштабирования и блоком выборки-хранения, при этом вход аналогового процессора соединен с входом преобразователя ток напряжение, выход которого соединен с информационным входом блока компенсации фона, выход которого соединен с информационным входом первого интегратора, выход которого соединен с входами ключа и логарифмического усилителя, выходы которых объединены и соединены с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого мультиплексора, информационные входы которого соединены с выходом источника опорного напряжения и общей шиной соответственно, выход блока вычитания подключен к информационному входу блока выборки-хранения, первый выход которого соединен с входом инвертора и первым информационным входом второго мультиплексора, второй информационный вход которого соединен с выходом инвертора, причем выход второго мультиплексора подключен к информационному входу второго интегратора и первому информационному входу третьего мультиплексора, второй информационный вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго интегратора и входом блока масштабирования, выход которого подключен к информационному выходу аналогового процессора, управляющие входы которого подключены к управляющим входам мультиплексоров, ключа и второго интегратора, выход импульсного генератора соединен с входом распределителя импульсов, выходы которого подключены к управляющим входам блока выборки-хранения, блока компенсации фона и первого интегратора, а также к управляющим выходам аналогового процессора, а второй выход блока выборки-хранения соединен с третьим входом блока вычитания или с третьим информационным входом первого мультиплексора. 2. Процессор по п.1, отличающийся тем, что аналоговый процессор снабжен вторым ключом и блоком коррекции, первый выход и информационный вход которого подключены соответственно к третьему входу блока вычитания и выходу второго ключа, информационный и управляющий входы которого соединены с выходом блока выборки-хранения и одним из управляющих входов аналогового процессора. 3. Процессор по п.2, отличающийся тем, что второй выход блока коррекции соединен с управляющим входом распределителя импульсов. 4. Процессор по п.2, отличающийся тем, что он выполнен с двумя блоками сравнения, подключенными к выходам первого интегратора и блока коррекции. 5. Процессор по п.1, отличающийся тем, что один из его управляющих входов подключен к управляющему входу блока масштабирования и/или блока компенсации фона. 6. Процессор по п.1, отличающийся тем, что блок компенсации фона выполнен в виде интегратора, мультиплексора и блока вычитания, причем информационный вход блока компенсации фона соединен с первым информационным входом мультиплексора и входами интегратора и блока вычитания, выход которого соединен с вторым информационным входом мультиплексора, выход которого соединен с выходом блока компенсации фона, управляющие входы которого подключены к управляющим входам интегратора и мультиплексора. 7. Процессор по п.1, отличающийся тем, что первый интегратор выполнен в виде интегратора со сбросом, демультиплексора, двух мультиплексоров и корректора, при этом информационный вход интегратора соединен с входом демультиплексора, выходы которого подключены к входам соответствующих мультиплексоров, первые и вторые разноименные выходы которых соединены соответственно с информационным входом интегратора со сбросом и первым выводом корректора, второй вывод которого подключен к информационному входу интегратора со сбросом, управляющий вход которого вместе с управляющими входами демультиплексора образуют управляющие входы интегратора, выполненного с дополнительной группой управляющих входов, которая образована объединенными управляющими входами мультиплексоров и подключена к соответствующим дополнительным входам аналогового процессора. 8. Процессор по п.1, отличающийся тем, что блок выборки-хранения выполнен в виде демультиплексора и двух блоков хранения, а первый мультиплексор аналогового процессора в виде двух элементов мультиплексирования, при этом информационный вход блока выборки-хранения образован входом демультиплексора, выходы которого соединены с входами блоков хранения, выход первого из которых образует первый выход блока выборки-хранения, а выход второго соединен с третьим информационным входом первого мультиплексора, образованным первым входом первого элемента мультиплексирования, второй вход и выход которого соответственно соединены с первым информационным входом первого мультиплексора и с первым входом второго элемента мультиплексирования, второй вход и выход которого образуют второй информационный вход и выход первого мультиплексора оптико-спектрального анализатора.