Фотометр Советский патент 1984 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к фотометрам, и может быть использовано в оптиче к IX спектроанализаторах, например, для определения химического состава веществ. Известен фотометр, содержащий источник света, светоделительное устройство, оптические каналы, модулятор с блоком управления, фотопреобразователь, синхронный коммута тор, блок преобразования и регистратор TI;. Однако фотометр имеет недостаточно высокую точность вследствие того, что на результат измерений v оказывает влияние изменение во вре мени коэффициентов передачи каналов синхронного коммутатора и смещения нуля элементов устройства. Наиболее близким к изобретению .является фотометр, содержащий источник света, по ходу излучения которого последовательно расположены светоделительное устройство, измерительный и эталонный оптические каналы, модулятор с блоком управления и фотопреобразователь, компаратор, выход которого соедине с входом первого импульсного ключа через который генератор импульсов соединен с преобразователем импульсов в напряжение, синхронизиру ющий вход которого подключен к бло ку управления, а выход - к входу компаратора, второй и третий импул ные ключи, управляющие входы которых соединены с блоком управления, а выходы - соответственно с интегр торами, которые подключены к соответствующим входам делительного устройства, соединенного синхронизирующим входом с блоком управлени а выходом - с регистратором 2. Недостатком известного устройст ва является ннэкая точность измере ний при малых значениях постоянной составляющей -фохргщеобразователя. Это Связано с тем, что сЭруктура известного фотометра вызывает появление значительной погрешности при малых значениях постоянной сос тавляющей фотопреобразователя, обусловленной наличием ступенчатости, неизбежной при цифровом мет де преобразования сигналов. В известном устройстве преобразование измеряемых сигналов осуществляется путем сравнения напряжения, снимаемого с нижнего плеча делителя напряжения, установленного, на выходе фотопреобразователя, с сигналом, равным постоянной составля ощей фотопреобраэователя. При этом сопротивление нижнего плеча делители устаназливается пропорциональным постоянной, составляющей фотопреобразователя, а результат измерений определяется сопротивлением верхнего плеча делителя напряжения, которое устанавливается по величине преобразуемого напряжения и сопротивлению нижнего плеча делителя напряжения. Поэтому появление погрешности в установлении сопротивления нижнего плеча делителя напряжения неизбежно ведет к появлению погрешности в установлении сопротивления верхнего плеча делителя напряжения, характеризукидего результат измерений, при этом погрешность в установлении сопротивления верхнего плеча делителя напряжения в з ависимости от величины постоянной составляющей фотопреобразователя возрастает в несколько раз. Для доказательства оценим величину составляющей погрешности измерений известным фотометром, которая обусловлена только ошибкой в установлении сопротивления нижнего плеча делителя напряжения вследствие ступенчатости процесса преобразования. На первом этапе измерений из1вестным фотометром, на втором входе компаратора устанавливается напряжение, равное сумме Uf постоянной составляющей фотопреобразователя и напряжения смещения компаратора. При освещении фотопреобразователя световым сигналом, прошедшим через эталонный оптически канал, на вход делителя напряжения поступает сигнал, равный сумме постоянной составляющей U и напряжения U., , пропорционального световому потоку, прошедшему через эталонный оптический канал, при этом с учетом смещения компаратора должно установиться равенство де R-1 - сопротивление верхнего плеча делителя напряжения в этот момент; 2 - сопротивление нижнего плеча, которое должно установиться, чтобы обеспечивалось указанное равенство. Равенство (1) показывает, что опротивление нижнего плеча делитея напряжени-я пропорционально потоянкой составляющей фотопреобразоателя. В действительности при изерениях сопротивление нижнего плеа делителя напряжения вследствие тупенчатости .процесса измерений станавливается большим на величину И станет равным Г2 + ДЬр/ при этом в зависимости от и и U может изменяться от значения, близ кого к нулю,, до значения, близкого к величине сопротивления ступени нижнего разряда делителя напряжения. Поэтому, кс-да на фотопреобразователь поступает световой сигнал, прошедший через измерительный оптический канал, и на вход делителя напряжения поступает сигнал, равный сумме постоянной составляющей Uj и напряжения U,,, пропорционального световому потоку, прошедшему через измерительный канал, си нал, поступающий на компаратор, бу дет сниматься с нижнего плеча дели теля напряжения, сопротивление которого равно при этом соп ротивление верхнего плеча делител характеризующее результат измерен будет изменяться до тех пор, пока наступит равенство -()-UcM- r UcM + (21 tИз равенств (1) и (2) получим значение h , характеризующее результат измерений, которое равно Uj I йГу - Учитывая, что значение h-, сопро тивления верхнего плеча при отсутствии ошибки от ступенчатости равино ( абсолютная ошибка в установлении сопротивления верхнего плеча делителя напряжения вследствие наличия 4г определяется величиной и. лГу ;-virn, 1 2 относительное значение которой рав cA --r-fOO% 1 2 Из равенств (3) и (4) следует, что с уменьшением величины сопротивления нижнего плеча делителя на пряжения ошибка измерений увеличивается, а так как сопротивление п нижнего плеча устанавливается пропорциональным портоянной состав ляющей фотопреобразователя, то оши ка измерений известным устройством зависит от величины постоянной со тавляющей фотопреобра-зователя. Пр этом, когда постоянная составляющая в1ыходного сигнала фотопреобра ,збвателя имеет небольшую величину а следовательно на основании раве ства (1) и г имеет небольшую величину, ошибка измерений становится значительной. Увеличить точность измерений при малых значениях постоянной составляющей фотопреобразователя можно путем уменьшения величины сопротивления ступени делителя напряжения. Однако вследствие наличия разброса номинальных значений сопротивлений резисторов, используемых в делителе напряжения, нижнее значение сопротивления ступени, которое может быть установлено, всегда ограничено. Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в фотометре, содержащем источник света, по ходу излучения которого последовательно расположены светоделительное устройство,, измерительный и эталонный оптические каналы, модулятор с блоком управления и фотопреобразователь, компаратор, выход которого соединен с. входом первого импульсного ключа, через который генератор импульсов соединен с преобразователем импульсов в напряжение, синхронизирующий вход которого подключен к блоку управления , а выход - к входу компаратора, второй и третий импульсные ключи, управляющие входы которых соединены с блоком управления, а выходы - соответственно с интеграторами, которые подключены к соответствующим входам делительного устройства, соединенного синхронизирующим входом с блоком управления, а выходом - с регистратором, выход фотопреобразователя подключен к второму входу компаратора, а выход первого импульсного ключа соединен с входами второго и третьего импульсных ключей. На чертеже показана структурная схема фотометра. Фотометр содержит источник 1 света, светоделйтельное устройство 2, оптические каналы 3 и 4, фотопреобразователь 5, модулятор б. Выход фотопреобразователя 5 подключен на второй вход компаратора 7, первый вход которого подключен к выходу преобразователя 8 импульсов в напряжение. Выход компаратора 7 подключен к управляющему входу импульсного ключа 9, вход которого соединен с генератором 10 импульсов , а выход - с входом преобраяователя 8 и входами импульсных ключей 11 и 12, выходы которых подключены соответственно к интеграторс м 13 и 14. Выходы интеграторов 13 и 14 соединены с делительным устройством 15, к выходу которого подключен регистратор 16. Блок 17 управления соединен с модулятором 6,

с синхронизирующим входом преобраэователя 8 импульсов в напряжение, с управляющими ьходами ключей 11 и 12 и с управляющим входом делительного устройства 15,

Устройство работает следующим образом.

Световой поток источника 1 светоделительным устройством 2 делится на два луча, один из которых проходит через измерительный оптичес кий канал 3, в котором взаимодействует с анализируемой пробой, и попадает на фотопреобразователь 5, второй проходит эталонный оптический канал 4, в котором взаимодействует с эталонной пробой, и также попадает на фотопреобразователь 5. Световые потоки каждого луча модулируются модулятором б таким образом, что они попадают на фотопреобразователь 5 в разные промежутки времени и, кроме того, между ними И1 еются промежутки, в которые свет от источника 1 не попадает на фотопреобразователь 5.

Сигналы, полученные в моменты освещения фотопргобразователя 5, кроме составляющих, вызванных снетовыми потоками, имеют постоянную составляющую, обусловленную темновым током фотоприемника и смещениемнуля усилителя, а а момент отсутствия световых потоков имеют только укаэ1ианую постоянную составляющую. С выхода .фотопреобразователя 5 сигналы поступают на второй вход компаратора 7.

Измерение начинается в момент, когда фотопреобразователь 5 не освещен световыми потоками. В этом случае на второй вход компаратора 7 поступает электрический сигнал U-p, равный постоянной составляющей, величина которой определяется темновым током и смещением нуля фотопреобразователя, а на первый вход комггар-атора 7- зосхупает сигнал U , равный нулю. Кроме того,1 омпаратор обычно имеет смещение нуля, котрое можно считать как величину и, приложенную к одному из входов компаратора 7, например к входу, на который подается сигнал с выхода фотопреобразователя 5.Поэтому на второй вход компаратора 7 в этот момент поступает сигнал, равный .| Так как сигнал U-p+и д, поступающий на второй вход компаратора 7, больше сигнала поступающего на его первый вход, то с выхода компаратора 7 на управляющий вход импульного ключа 9 поступает сигнал, разрушающий прохождение импульсов с г енератора 10 импульсов в преобразователь 8 -импульсов в напряжение. Одновременно с-вт.чм с блока 17 управления на управляющие входы импульсных ключей 11 и 12 поступают сигналы, запрещающие прохождение импульсов в интеграторы 13 и 14. В этот момент начинают проходить импульсы 5 с генератора 1Q импульсов через импульсный ключ 9 только в преобразователь 8 импульсов в напряжение. В , преобразователе 8 начинает увеличиваться число импульсов, а следова0 тельно, с приходом каждого очередного импульса увеличивается напряжение на его выходе на величину, равную OQ , Импульсы с генератора 10 импульсов через импульсный ключ 9

5 поступают в преобразователь В до тех пор, пока напряжение на выходе преобразователя 8, поступающее на первый вход компаратора 7, не станет близким по величине к напряжению

Q , поступающему на его второй вход, т.е.

, K

(5)

где Пц - число импульсов, поступаю25 Щик в преобразователь 8, когда на фотопреобразователь 5 световые потоки не попадают, при поступлении которых напряжение на выходе преобразователя 8 становится равным U|.. В момент наступления равенства (5) с компаратора 7 йа управляющий вход импульсного ключа 9 поступает сигнал запрета и прохождение им пульсов с генератора 10 импульсов в преобразователь 8 прекращается. С этого момента на первый вход компаратора 7 поступает сигнал, равный 0.

В следующий момент на фотопре0 образователь 5 поступает световой сигнал, прошедший через оптический (канал 3 анализируемого образца. Од;новременно с этим с блока il7 управления на управляющий вход импульс5 ного ключа 11 поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов через этот ключ. С выхода фотопреобразователя в этом случае поступает сигнал, равный сумме постоянной сос0 тавляющей U-j- и напряжения U, пропорционального световому потоку, прошедшему через оптический тракт 3 .анализируемого образца, поэтому с учетом смещения 0 к второму входу г компаратора 7 будет приложена сумма напряжений и 1+UT+I C. Поскольку сигнал, поступающий на второй вход компаратора 7, больше сигнала Оц, поступающего на его первый вход, с выхода компаратора 7 на управляющий 0 вход импульсного ключа 9 поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов с генератора 10 импульсов, а так как в это время разрешено прохождение импульсов и через им5 пульсный ключМ, то с генератора 10

импульсов начнут поступать импульсы через импульсный ключ 9 в преобразователь 8 и параллельно через импульсный ключ 9 и далее через импульсный ключ 11 в интегратор 13. С поступлением импульсов начнет возрастать напряжение на выходе преобразователя 8, начальное значение которого равно Uj, . Напряжение на выходе преобразователя 8, которое прикладывается к первому входу компаратора 7, будет увеличиваться до тех пор, пока не приблизится по величине к напряжению, приложенному на второй вход компаратора 7, т.е. пока не наступит равенство

.O

где п - чдсло импульсов, которое

добавляется в преобразователь 8, когда на фотопреобразователь 5 поп-адает световой поток, прошедший через канал 3 анализируеемого образца.

В момент наступления равенства (6) с компаратора 7 на управляющий вход импульсного ключа 9 поступае сигнал запрета и прохождение импульсов с генератора 10 импульсов в преобразователь 8 прекращается, а одновременно прекращается и поступление импульсов в интегратор 13, так как с генератора 10 импульсов в интегратор 13 импульсы могут пройти только через последовательно соединенные импульсные ключи 9 и 11. Следовательно, если при прохождении . светового потока через канал-3 в преобразователь 8 поступает п импульсов, то и в интегратор 13 поступает только п импульсов. Число импульсов п-,, поступающее в интегратор, сохраняется до окончания, процесса измерения.

Учитывая уравнение (5), в равенстве (6) , тогда U r Up

или rt, г.- . (7)

Из уравнения (7) следует, что число и,, импульсов, которое накопилось в интеграторе 13, пропорционально сигналу и, соответствующему интенсивности светового потока, прошеда1его через канал 3 анали зируемого образца, и не зависит от темнового то-ка, смещения нуля фотопреобразователя 5 и напряжения смещения компаратора 7.

В следующий момент прекращаетсяосвещение фотопреобразователя 5 световым потоком, проходящим через оптический канал 3, кроме того, на

фотопреобразователь 5 еще не попа/дает световой поток, проходящий через оптический канал 4 эталона, а поэтому с выхода фотопреобразователя 5 поступает сигнал, определяемый темновым током и смещением нуля фотопреобразователя 5. Одновременно с прекращением освещения фотопреобразователя 5 световым потоком, проходящим через оптический канал 3, с блока 17 управления поступают сигналы на управляющий вход импульсного ключа 11, запрещающие прохождение импульсов через этот ключ, и на синхронизирующий вход преобразователя 8 импульсов в . напряжение, сбрасывающий всю накопленную до этого информацию, поэтому напряжение на выходе преобразо

5 вателя 8 становится равным нулю. На управляющем входе импульсного ключа 12 в это время установлено напряжение.

Так как напряжение, равное U

поступающее в это время на второй вход компаратора 7, больше напряжения , приложенного к его первому входу, поступающего с преобразователя 8, то с выхода компаратора 7

5 на управляющий вход импульсного

ключа 9 поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов с генератора 10 импульсов в преобразователь 8. В этот момент начинают проQ ходить импульсы с генератора 10 импульсов через импульсный ключ Э только в преобразователь 8. В преобразователе 8 начинает увеличиваться число импульсов, а следовательно, увеличивается напряжение на его выходе. Импульсы с генератора 10 импульсов поступают в преобразователь В до тех пор, пока напряжение на выходе преобразователя 8, поступающее на первый вход компаратора 7,

0 не станет близким по величине к напряжению U приложенному к второму входу компаратора 7, т.е. пока не наступит равенство (5). При наступлении равенства (5) с компа5 ратора 7 на управляющий вход импульсного ключа 9 поступает сигнал запрета и прохождение импульсов с генератора 10 импульсов в преобразователь 8 прекращается. С этого

0 йомента на первый вход компаратора 7 юступает сигнал, равный следующий момент на фотопреобразователь 5 поступает световой сигнал, прошедший через оптический

5 канал 4 эталона. Одновременно с этим с блока 17 управления на управляющий вход импульсного ключа 12 по. ступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов через этот ключ. С

0 выхода фотопреобразователя 5 в этом случае поступает сигнал, равный сумме постоянной составляющей. 0 .и напряжения Uj пропорционального све товому потоку, прошедшему через оп5 хический тракт 4,эталона, поэтому с учетом смещения U., к второму вход компаратора 7 будет приложена сум ма напряжений 0 (J .. так как сигнал, поступающий на второй вхо компаратора 7, больше сигнала U( , поступающего на его первый вход с выхода компаратора 7, на управляю вход импульсного ключа 9 поступае сигнал, разрешающий прохождение и пульсов с генератора 10 импульсов Поскольку в это время разрешено п хождение импульсов и через импуль ный ключ 12, то с генератора 10 импульсов начнут поступать импуль через импульсный ключ 9 в преобра зователь 8 и параллельно через им пульсный ключ 9 и далее через импульсный ключ 12 в интегратор 14, С поступлением импульсов начнет во растать напряжение на выходе преоб разователя 8, начальное значение которого равно Uf . Напряжение на выходе преобразователя 8, которое прикладывается к первому входу ком паратора 7, будет увеличиваться до тех пор, пока не приблизится по величине к напряжению, приложенному на второй вход компаратора 7, Т.е. пока не наступит равенство где П- - число импульсов, поступаю щих в преобразователь 8, когда на фотопреобразователь 5 попадает световой поток, прошедший через ка нал 4 эталона. В момент наступления равенства (8) с компаратора 7 на управляю- , щий вход импульсного ключа 9 поступает, сигнал запрета и прохождение импульсов с генератора 10 импульсов через импульсный ключ 9 прекращается, следовательно, прекращается поступление импульсов в преобразователь Бив интегратор 1 Если при прохождении светового потока через канал 4 в преобразователь 8 поступило импульсов, то и в интегратор 14 тоже поступит импульсов„ Так как учитывая уравнение (5), в равенстве (8) и + и UK тогда 2 n2Uo .2 - DO . Из уравнения (9) следует, что число П2 импульсов, которое накопилЬсь в интеграторе 14, пропорционально сигналу 02 f соответствующему интенсивности светового потока, прошедшего через канал 4 эталона, и не зависит от темнового тока, смещения нуля фотопреобразователя и напряжения смещения компаратора Таким образом, информация, накопленная в интеграторах 13 и 14, .получена в виде без постоян ных составляющих отдельных элементов устройства. В момент прекращения освещения фотопреобразователя 5 световым потоком, проходящим через канал эталона, с блока 17 управления поступают сигналы: на синхронизирующий вход преобразователя 8 импульсов в напряжение - о сбросе накопленной в нем информации, на управляющий вход импульсного ключа 12 - запрещающий прохождение импульсов через этот ключ, на управляющий вход делительного устройства 15 - о выполнении операции деления. Делительное устройство 15 осуществляет операцию деления числа п импульсов, накопленных в интеграторе 13, и числа импульсов, накопленных в интеграторе 14, поэтому на регистратор 16 поступает результат, который с учетом уравнений (7) и (9) равен 2 .1 2 0 / 0 2 .Результат измерений может определяться за один период либо за определенное заданное число периодов. В последнем случае осуществляется накопление информации в интеграторах 13 и 14 за несколько периодов, а затем осуществляется операция деления, Из уравнения (10) видно, что величина С, Характеризующая результат измерений, который фиксируется цифровым регистратором 16, определяется отношением сигналов, пропорциональных световым потокам, прошедшим.через каналы 3 и 4, и не зависит от коэффициента передачи отдельных элементов устройства, постоянной составляющей, обусловленной темновым током фотоприемника и смещением нуля усилителя, и напряжения смещения компаратора. i Предлагаемое устройство исключает зависимость погрешности результата измерений вследствие ступенчатости процесса преобразования сигналов от величины, постоянной составляющей фотопреобразователя. Это подтверждают результаты анализа погрешностей при измерении предлагаемым фотометром. Так, например, если каждый сигнал, равный и (2+J-f. преобразовывать.в числа импульсов, пропорциональные суммам составляющих этих сигналов, то в преобразователь 8 импульсов в напряжение должно поступи.ть соответственно п .и п импульсов, при этом на выходе преобразователя 8 устанабливаются напряжения, равные соответственно пU и (j , которые больше напряжений, поступающих на второй вход компаратора, на величи

ФОТОМЕТР, содержащий источник света, по ходу излучения которого последовательно расположены светоделительное устройство, измерительный и эталонный оптические каналы, модулятор с блоком управления и фотопреобразователь, компаратор, выход которого соединен с входом первого импульсного ключа, через который генератор импульсов соединен с преобразователем импульсов в напряжение, синхронизирующий вход которого подключен к блоку управления, а выход - к входу компаратора, второй и третий импульсные ключи, управляющие входы которых соединены с блоком управления, а выходы - соответственно с интеграторами, которые подключены к соответствующим входам делительного устройства, соединенного синхронизирующим входом с блоком управления, а выходом - с регистратором, отличающийся тем, что, г (Л с целью повышения точности измерений, выход фотопреобразователя подключен к второму входу компаратора, а выход первого импульсного ключа . соединен с входами второго и третьего импульсных ключей. Q С Ж to СП