Цифровой фотометр Советский патент 1984 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к устройст вам, измеряющим коэффициент пропускания, и может быть применено для автоматического контроля смесей веществ фотоэлектрическим методом. Известны устройства, осуществляю щие фазометрическое измерение оптического поглощения, которые содержат источник излучения, блок обтюра тора, измерительную кювету, приемни излучения, усилитель, генератор опо ного напряжения, схему автоматической регулировки усиления (АРУ), син хронный детектор, вторичный прибор. Данные устройства измеряют напря жение, пропорциональное косинусу угла сдвига фаз результирующего сиг нала и опорного напряжения с помощью синхронного детектора, причем .амплитуду результирунвдего сигнала стабилизируют схемой АРУ 1, Недостатком известных устройств является их сравнительно большая погрешйость, одним из источников ко торой является наличие в результирую щем сигнале гармонических составляю щих основной частоты, которые внося погрешности при синхронном детектировании . Другим источником погрешности являются ошибки регулирования при работе схемы АРУ, применение которой, также не позволяет постигнуть высокой надежности измерений. Наиболее близким техническим решением к изобретению является цифровой фотометр, содержащий излучатель по ходу излучения которого .установлены конденсор, светофильтры, обтюратор, измерительная кювета, объектив и фотоприемник, подключенный к входу усилителя, генератор опорного напряжения и регистрирующий прибор 2 Недостатком известного устройства является его сравнительно невысокая точность измерений. Погрешности в измерении коэффициента поглосцения вносят ошибки в уста новлении начального фазового сдвига ошибки измерения фазы сигнала в процессе исследования вещества, погрешности стабилизации амплитуды схемой АРУ, нелинейность градуировочной характеристики, ошибку измерения напря жения вторичным прибором. Кроме того присутств е в результирующем сигнале гармоник основной частоты отрицатель но сказывается на точности измерения фазы результирующего сигнала с.помощью синхронного детектора. Шкала известного устройства определяется не только величиной поглсядения, но и фа зовым сдвигом между рабочим и сравнительным-потоками излучения, а также отношением m амплитуды рабоче го потока без поглощения к амплитуде сравнительного потока. Нестабильность этих параметров также вносит погрешность в измерения. Or-ношение m и фазовый сдвиг выступают в качестве параметров известного устройства. Измерение этих параметров устройств.ом не производится, поэтому его шкала без применения дополнительных устройст-в не определяется, что также является недостатком известного устройства. Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее излучатель, по ходу излучения которого установлены конденсатор, светофильтры, обтюратор, измерительная кювета, объектив и фотоприемник, подключенный к входу усилителя, генератор опорного напряжения и регистрирующий прибор, введены, непрозрачный диск с отверстиями, заслонка с механизмом перемещения, установленные перед обтюратором по ходу излучения, генератор высокой частоты, компаратор, .два триггера, три схемы И, два счет чика импульсов, схема НЕ, три задат чика, два счетно-решающих блока, |а обтюратор выполнен в виде бесконечной ленты с окнами, причем форма просечки отверстия непрозрачного диска соответствует фигуре, образованной двумя полусинусоидами, выход усилителя подключен к первому входу компаратора, второй вход которого присоединен к шине нулевого уровня, д. рыход подключен к входу схемы НЕ и к счетному входу второго триггера, инверсный выход которого присоединен к третьему входу первого счетно-решающего блока и к второму входу третьей схемы И, первый вход которой подключен к выходу схемы НЕ, а выход присоединен к пятому входу второго счетно-решающего блока и к обнуляющим входам счетчиков импульсов и первого триггера, счетный вход которого подключен к выходу генератора опорного напряжения, а инверсный . выход присоединен к. третьему входу первой схемы И, прямой выход второго триггера подключен к первым входам перв.ой и второй схем И, вторые входы которых присоединены к генератору высокой частоты, а их выходы подключены к счетным входам первого и второго счетчиков импульсов соответственно, выходы последних присоединены к первому и второму-входам первого счетно-решающего блока, выход которого подключен к первому входу второго .счетно-решающего блока, второй, третий и четвертый входы которого присоединены к выходам первого, второго и третьего задатчиков соответственно, а выход подключен к регистрирхтощему прибору. На фиг. 1 представлена блоксхема устройства; на фиг. 2 - схема модулятора; на фиг. 3 - векторная диаграмма сигналов на выходе усилителя; на фиг. 4 - временные диаграммы потоков излучения; на фиг, 5 - временные диаграммы, поясняющие работу электронной схемы.

Устройство содержит иэлучатель 1 по ходу излучения которого установлены конденсатор 2, светофильтры 3 и 4, заслонка 5 с механизмом перемещения, непро.зрачный диск 6 с отверстиями, обтюратор 7, измерительная кювета 8, объектив 9 и фотоэлемент 10. Устройство также содержит двигатель 11, приводящий в движение, обтюратор, генератор 12 опорного напряжения, генератор 13 высокой частоты, компаратор 14, усилитель 15, первый триггер 16, второй триггер 17, схема НЕ 18, первая схема И 19, вторая схема И 20, третья схема И 21 первый счетчик 22 импульсов, второй счетчик 23 импульсов, второй задатчик 24, первый задатчик 25, первый счетнорешающий блок 26,третий задатчик 27, второй счетно-решающий блок 28, регистрирующий прибор 29.

На фиг. 4 изображены эпюры напряжений 30 на выходе усилителяj31.на выходе компаратора, 32 - на прямом выходе второго триггера, 33 - на его инверсном выходе, 34 - на выходе схемы НЕ, 35 - на выходе генератора опорного напряжения, 36 - на выходе третьей схемы И, 37 - на инверсном выходе первого триггера, 38 на выходе генератора высокой частоты, 39 - на выходе первой схемы И, 40 - на выходе второй схемы Hj на фиг. 5 представлены временныедиаграммы сравнительного и рабочего потоков излучения на входе и измерительные кюветы 41 и 42 соответ ственно,сравнительного на выходе измерительной кюветы 43, рабочего без поглощения на выходе кюветы 44, рабочего на выходе кюветы, заполненной исследуе1 «лм веществом 45, суммарного потока без поглощения рабочего 46, суммарного потока при условии, что рабочий прошел слой исследуемого вещества 47; PJJ, , Р, , Р РЗО PJ - амплитуды потоков; В - полувысота отверстия непрозрачного диска; А, А Й21 3(Г 3 векторы сравнительного, рабочего без поглощения рабочего в условиях поглсяденйя, суммарного без поглоцения, суммарного (результирующего) в условиях поглощения электрических сигналов на выходе усилителя, соответственно ц , г f( И 4j - фазы этих сигналов, UQJ, - вектор опорного напряжения.

Фотоэлемент 10 подключен к усилителю 15, выход которого подключен к первому входу компаратора 14, второй вход которого присоединен к шине нулевого уровня, а выход подключен к входу схемы НЕ 18 и к счетному входу второго триггера 17, инверсный выход которого присоединен к третьему входу первого счетно-решающего блока 26, и к второму входу третьей схемы и, первый вход которой подключен к выходу схемы НЕ 18, а выход присоединен к пятому входу вто рого счётно-решающего блока 28 и к обнуляющим входам счетчиков 22-и 23

0 импульсов,.и первого триггера 16, счетный вход которого подключен к выходу генератора 12 опорного напряжения, а инверсный выход присоединен к третьему входу первой схемы И 19,

5 прямой выход второго триггера 17 подключен к первым входам первого 19 и второй 20 схем И, вторые входы которых присоединены к генератору 13 высокой частоты, а их выходы подклю0 чены к счетным входам первого 22 и второго 23 счетчиков импульсов соответственно, выходы последних присоединены к первому и второму входам первого счетно-рииающего блока 26,

5 - выход которого подключен к первому входу второго счетно-решакяцего блока 28, второй, третий и четвертые вхотды которого присоединены к выходам первого 25, второго 24 и третьего

27 задатчиков соответственно, а выход подключен к регистрирующему прибору 29.

Устройство работа.ет следующим ; образом.

конденсор 2 направляет поток лу5 чей, созданный излучателем 1, параллельным пучком через светофильтры 3 и 4 и отверстия диска 6 на обтюра-. тор 7. Отверстие непрозрачного диска, 6 симметрично относительно оси X

0 (фиг. 2). Форма просечки верхней половины отверстия описывается выргикением YrB-cos-A. Ширина отверстия равна ширине окна обтюратора. При движении обтюратора открытая (закрытая)

5 площадь S(х) отверстия зависит от перемещения X окна в сюответствии с выражением

S(K)2.|&cosxdx J Bsinx-i-С ,

где С - постоянная интегрирования.

41 и 42 (фиг. 5) - временные диаграммы подтоков, модулированных обтюратором по синусоидальному закону. Фазовый сдвиг между потоками определяется расстоянием между центрами отверстий непрозрачного диска. Эти два модулированных по синусоидальному закону потока излучения проходят через измерительную кювету 8, причем

амплитуда Р сравнительного потока практически не изменяется (41, 43), а а:мплитуда рабочего потока уменьшается, если в кювете происходит.поглощение исследуемым веществом, или

л актически не изменяется, если в

кювете происходит поглощение исследуемым веществом, или практически Не изменяется, если в кювете 8 находится вещество, не поглсадакадее излучение (42, 44, 45). Отношение (D) /PjQ выражает коэффициент пропускания вещества, находящегося в кювете 8. Сравнительный и рабочий поток излучения суммируются с помощью объектива 9 на фотокатоде фотоэлемента 10 (46 и 47). Фотоэлемент преобразует суммарный поток излучения в пропорциональное ему электрическое напряжение, переменная составляющая которого усиливается усилителем 15. На выходе усилителя наблюдается переменное напряжение синусоидальной формы (30) - результирующий сигнал, амплитуда которого (А или АЗР) пропорциональна амплитуде (Рили РЗО ) переменной составляющей суммарного потока излучения. Результируквдий сигнал можно представить в виде суммы сравнительного сигнала амплитуда которого (Aj,) пропорциональна амплитуде (Р,,) переменной составляющей сравнительного потока излучения и рабочего сигнала, амплитуда которого (Aj или Ajg) -пропорциональна амплитуде (Pj или PJQ) переменной составляющей рабочего потока. Фазы сигналов могут не совпадать с фазами соответствующих потоков излучения, однако фазовые сдвиги между потоками равны фазовым сдвигам между электрическими сигналами, поскольку все они являются синусоидальными функциями времени и подвергаются линейным преобразованиям фотоэлементом и усилителем. За начало отсчета фаз принята фаза опорного напряжения.

Выразим коэффициент чО- через амплитуды сигналов (фиг. 3)

(1)

20 20 1 известные соотношения

(f ::

Л созЧ +А2о 2 30

(3)

А .cosV

получим

Л ()

(1 % (.)

, (

14

, ,f

Подставим выражения (4) и (5) в (1) и получим

. : MViolf:lVg ,,,

5 -5,n(()

Как следует из формулы (6), коэффициент пропускания является функци-.

д ей четырех фаз, причем фазы f / V / Vjg выступают в качестве параметров фотометра, а фаза Ч, зависит от пропускания.

Фазы и к.оэффициент пропускания определяют с помощью электронной

схемы, которая работает следующим Образом.

.В момент времени изменения знака величины мгновенного значения результирующего сигнала с отрица тельного на положительный (30) на выходе компаратора 14 устанавливается сигнал, соответствующий логической 1 на время, равное половине периода Т модуляции. (31). Передний

5 фронт этого сигнала переключает второй триггер 17,на прямом и инверсном выходах которого форг шр тотся сигналы 32 и 33. Генератор 12 опорного напряжения формирует один им0 пульс 35 эа период Т длительностью Т/2. Передний фронт этого импульса переключает первый триггер 16, на инверсном выходе которого наблюдается сигнал 37. Цепь инверсный выход

5 второго триггера - выход схемы НЕ выход третьей схемы И - обнуляющий вход первого триггера предназначена для согласования работы триггеров.

Допустим, фотометр включен в мо0 мент времени t (фиг. 4) и на прямом выходе второго триггера устанавливается положительный -потенциал, соответствующий логической

а на

инверсном выходе первого триггера нулевой потенциал, соответств5пощий логическому О . Вторая схема И начинает пропускать импульсы 40 с выхода генератора 13 высокой частоты на выход второго счетчика 23. В момент времени tj первый триггер переключается сигналом (35) с выхода генератора 12, и на его инверсном выходе (37) устанавливается . Первая схема И начинает пропускать импульсы (39) на вход первого счетчика 22. В мЬмент времени tj сигнал с выхода компаратора переключает второй триггер, на прямом выходе которо(32), запрего устанавливается

щаниций прохождение высокочастотных импульсов через первую и вторую схемы И на входы счетчиков. Одновременно, на инверсном выходе второго триггера (33) устанавливается единичный сигнал, передний фронт которого запускает блок 26 и подготавливает

третью схему И. Блок 2Ь вычисляет отношение числа импульсов, накопленного в первом счетчике, к числу импульсов, накопленному во втором счетчике, и умножает это отношение на 2П радиан, т.е. вычисляет фазу сигнала, . поступающей на вход компаратора относительно фазы опорного напряжения, в момент времени i на выходе третьей схемы И (36) появляется импулЬс, передний фронт которого обнуляет счетчики и запускает блок 28. На первый вход блока 28 поступает число с выхода блока 26, соответствующее фазе fj результирующего сигнала, на его второй вход поступает число, установленное на первом задатчике 25, соответствующее фазе Чт сравнительного сигнала, на третий вход поступает число, установленное на втором задатчике 24, соответствующее фазе Ч рабочего сигнала, на четвертый - число, установленное на третьем задатчике, соответствующее фазе з, суммарного (результирующего) сигнала без поглощения. Блок 28 реализует следующий алгоритм а(Ч2-Чзд) ; в:(Чз-%); а: sin а; в: Sin в; в: () с: (Чг зЬ в: Sir в; .nc; (где а, в, с - идентификаторы переменных) . Таким образом, блок 28 производит вычисления по формуле (6) и посылает число, соответствующее коэффициенту пропускания на вход регистрирующего прибора 29. В приведенном примере исходного состояния триггеров первое после включения фотометра показание регистрирующего прибора 29 будет неверным, поскольку триггеры не были согласованы. В момент времени t (фиг. 4) на обнуляющий вход первого триггера приходит сигнал с выхода третьей схемы И (36), который согласует дальнейшую работу триггеров. Тогда, в течение следующих измерительных периодов оба предварительно обнуленных счетчика начнут работу в момент времени изменения знака величины.мгновенного значения сигнала с отрицательного на положительный. Первый счетчик прекратит работу в момент времени появления переднего фронта опорного на-гпряжения, второй - через период Т после начала счета.

Таким образом, в течение одного периода модуляции в первом счетчике накапливается число, пропорциональное промежутку времени f(фиг. 4) между моментом времени пересечения нулевого уровня сигналом и моментом времени появления переднего фронта опорного напряжения, а во втором число, пропорциональное периоду модуляции Т. В течение следующего периода работают счетно-решающие блоки, вычисляя фазу сигнала и коэффициент пропускания. В следующий период снова измеряются величины Т и Т и т.д.

Настройка устройства с целью определения его параметров производится следующим образом.

На .выход блока 26 устанавливают регистрирующий прибор и полностью перекрывают рабочий поток излучения с помощью заслонки 5. В этом случае фотометр измеряет фазу сравнительного сигнала, которую считают с регистрирующего прибора и устанавливают на первом задатчике. На втором задатчике устанавливают фазу рабочего сигнала аналогично, перекрывая сравнительный поток излучения. Фазу результирующего сигнала без поглощения измеряют и устанавливают на третьем задатчике аналогично при воздействии на фотоприемник суммарного потока излучения без поглсяцения рабочего потока, для чего в измерительную кювету 8 помещают предварительно вещество, не поглощающее излучения в интерес5пощей области спектра.

Изобретение позволяет повысить точность измерений, так как необходимости устанавливать начальный фазовый сдвиг, равный 90°(например, с помощью механического перемещения датчика генератора опорного напряжения) поскольку коэффициент D зависит не от самих фаз, а от их разностей. Следовательно, в устройстве отсутствует ошибка установления начального фазового сдвига (ошибка установки нуля).

Величина амплитуды результирующего сигнала не оказывает влияние на измерения предлагаемым устройством, поэтому в его состав не входит схема АРУ, а следовательно, отсутствует ошибка, вносимая в измерение коэффициента пропускания погрешностью ее работы.

Таким образом, устройство измеряет поглсицение (коэффициент пропускания) с большей точностью, поскольку оно свободно минимум от двух составляющих погрешности: ошибки установки нуля и ошибки стабилизации амплитуды схемой АРУ

Кроме того, определенность формы сигналов на входе электронной схемы (синусоида) в устройстве позволяет с большей точностью определить зависимость коэффициента пропускания от фаз этих сигналов (формула 6).

ЦИФРОВОЙ ФОТОМЕТР, содержащий излучатель, по ходу излучения которого установлены конденсатор, светофильтры, обтюратор, измерительная кювета, объектив и фотоприемник, подключенный к входу усилителя, генератор опорного напряжения и регистрирующий прибор, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерений,, в него введены непрозрачный диск с отверстиями, заслонка с механизмом перем ения, установленные перед обтюратором по ходу излучения, генератор высокой частоты, компаратор, два триггера, три cx&vsi И, два счетчика импульсов, схема НЕ, три задатчика и два ечетно-решс1кициХ; блока, а-обтюратор выпол ней в виде бесконечной ленты с окнами, причем форма отверстия непрозрачного диска соответствует фигуре, образованной двумя полусинусоидами, выход усилителя подключен к первому входу компаратора, второй вход которого присоединен к шине нулевого уровня, а выход -подключен к входу схемы НЕ и к счетному входу второго триггера, инверсный выход которого присоединен к третьему входу первого счетно-решающего блока и к второму входу третьей схемы И, первый вход которой подключён к выходу схемы НЕ, а выход присоединен к пятому входу второго счетно-решающего блока и к обнуляющим входам счетчиков импульсов и первого триггера, счетный вход, которого подключен к выходу генератора опорного напряжения, а инверс(Л ный выход присоединен к третьему входу схемы И, прямой выход второго триггера подключен к первым входам первой и второй схем И, вторые входы которых присоединены к генерато- g ру высокой частоты, а их выходы подключёны к счетным входам первого и второго счетчиков импульсов соответственно, выходы последних присоеди00 нены к первому и второму входам первого счетно-решающего блока, выход которого подключен к первому входу 4: второго счетно-решающего блока, второй, третий и четвертый входы котоГ 100 рого присоединены к выходам перво го, второго и третьего задатчиков соответственно, а выход -подключен к регистрирующему прибору.

I

29 Фиг.

cput.