Фотометр Советский патент 1984 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к оптикоэлектронному приборостроению и может быть использовано в оптических измерителях прозрачности и в спектрофото метрах. Известен двухлучевой фотометр, со держащий установленные последовательно источник света, светоделительное устройство, оптические тракты, модулятор, фотопреобразователь с регулируемым коэффициентом усиления, элект рический коммутатор и дифференциальный усилитель Г1 3. Недостатком фотометра является наличие неисключенной шумовой состав ляющей фотопреобразоателя, что снижа ет точность измерений. При этом в фо тометрах используется обтюрация (пре рывание) светового луча. Это позволя ет исключить влияние внешней засчетки от посторонних источник (солнца, фонари, и т.п.), но не устраняет вли яния шумовой составляющей фотопреобразователя, так как во время прохождения опорного либо изме14ительного лучей электрические сигналы с выхода фотопреобразователя кроме полезной информации соде1Я сат весь спектр шума фотопреобразователя в полосе частот от нуля до предельной частоты, определаемой свойствами самого фотопреоб разователя. Величина этого шума може достигать нескольких сотен милливоль для фотоэлектронных умножителей и де сятков милливольт для фотЬдио{|ов. Таким образом, собственный шум фотопреобразователя ограничивает чувстви тельность фотометров. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является фотометр, содержащий источники света оптическую схему для формирования измерительного и опорного каналов установленных по ходу излучения модулятор, выполненный в виде диска, фотопреобразователь с подключенным к нему последовательно усилителем, фильтром, синхронным детектором, схемой обработки выходного сигнала и регистратором, а также систему для формирования двух дополнительных опорных каналов с двумя фотопреобразователями t23. К недостаткам устройства следует отнесли невысЬкую чувствительность, сложность устройства и наличие погрешностей измерения, что обусловлено следующими причинами. Использование модуляции световых лучей не исключает низкочастотную шумовую составляющую, так как применен фильтр верхних частот, который пропускает весь низкочастотных сигнал от нуля до полосы среза фильтра, а основная часть шумовой составляющей фотопреобразователей лежит в области низких частот (от О до 1 кГц). Поэтому схема вьщеления и обработки сигнала не позволяет получить оптимальное соотношение сигнал/шум и тем самым добиться высокой чувствительности измерения. Модуляция измерительного и опорного сигналов осуществляется на разных частотах. Это приводит к необходимости применения двух фильтров (или коммутируемого фильтра) для вьщеления электрических сигналов измерительного и опорного лучей, что усложняет устройство. Минимальный уровень шума фотопреобразователя соответствует одной частоте (для каждого типа фотопреобразователя значение этой частоты может изменяться). Поэтому модуляция двух сигналов одновременнр на разных частотах не позволяет уменьшить шумовую составляющую по одному из сигналов. Применение параллельной схемы прохождения опорного и измерительного лучей, при которой на вход фотопреобразователя поступает сумма мощностей обоих лучей, приводит к необходимости обеспечить динамический диапазон фотопреобразователя и усилителя, прчТи вдвое больший по сравнению с последовательной схемой, что ведет к усложнению электронной схемы. Для обеспечения погрешности измерения в пределах 1% коммутируемый фильтр должен иметь коэффициент затухания неосновной гармоники не менее 40 дБ. Получение такой характеристики фильтра простым переключением одного конденсатора для низких частот представляется сложной задачей. Применение в оптической системе зеркал и устройств для формирования двух лучей (призьш или светоделительные пластины) является причиной наличия в фотометре рассеянного света, который, попадая на фотопреобразователь, служит источником дополнительных погрешностей измерения. Для исключения этого рассеянного света необходимо использовать дополнительные устройст ва, усложняющие конструкцию фотометр5. Применение двух дополнительных источников света для формирования управляющих сигналов приводит к увеличению потребляемой мощности фото метра, что ограничивает применение фотометра особенно в автономных изме рительных комплексах. Цель изобретения - повышение чувст вительности измерения. I . . , Поставленная цель достигается тем, что в фотометре, содержащем источник света, оптическую систему для формирования измерительного и опорного каналов, установленные по ходу излучения, модулятор, выполненный в виде диска, фотопреобразователь с подключенньми к нему последовательно усилителем, фильтром, син хронным детектором, схемой обработки выходного сигнала и регистратором а также систему для формирования дву дополнительных опорных каналов с дву мя фотопреобразователями, в нем фильтр выполнен полосовым, резонансная .частота которого соответствует частоте минимального уровня шумов фотопреобразователя, в модуляторе на отдельных концент рических окружностях выполнены полукольцевая прорезь, на одной половине модулятора й отверстий для модулягщи лучей, распо ложенных на полуокружности другой половины модулятора равномерно с рас стояниями между отверстиями, равными их диаметру и 2п отверстий, размещен ных равномерно по окружности, расположенной между окружностями, на кото рых.выполнены полукольцевая прорезь и п-отверстий так, что половина их находится на одних радиусах с отверс тиями для модуляции лучей, где п 10 40, а схема обработки выходного сигнала вьтолнена из соединенных последовательно фильтра низких частот, компаратора, к второму входу которог подключен генератор экспоненциального напряжения и реверсивного счетчика, к второму входу которого подключен выход генератора тактовой частоты, при этом к второму входу синхрон ного детектора и третьему входу реверсивного счетчика подсоединены выходы дополнительных фотопреобразователей. На фиг. 1 приведена структурная схема фотометра; на фиг. 2 - вариант вьшолнения модулятора; на фиг. 3 временные диаграммы напряжений на выходах блоков измерительного тракт ; на фиг. 4 - усредненная спектральная характеристика шумов фотопреобразователя. Фотометр содержит источник 1 света, световоды 2-5 конденсатор 6, модулятор 7, объектив 8, рабочий объем 9, фотопреобразователи 10 - 12, усилитель 13, полосовой фильтр 14, синхронный детектор 15, фильтр 16 низких частот, компаратор 17, реверсивный счетчик 18, регистратор 19, генератор 20 экспоненциального напряжения и генератор 21 тактовой частоты. Световоды 2-5, конденсор 6 и объектив 8 образуют оптическую систему для формирования измерительного и опорного световых лучей. По ходу измерительного светового луча установлен конденсор 6, объектив 8, рабочий объем 9, фотопреобразователь 10. К выходу фотопреобразователя 10 подключены последовательно усилитель 13, полосовой фильтр 14, синхронный детектор 15, фильтр 16 низких частот, компаратор 17, реверсивный с 1етчик 18, регистратор 19. К второму входу синхронного детектора 15 подключен выход дополнительного фотопреобразователя 12, к второму входу компаратора 17 - генератор 20 экспоненциального напряжения. К второму и третьему входам реверсивного счетчика 18 подсоединены выход дополнительного фотопреобразователя 11 и генератора 21 тактовой частоты. Между конденсором 6 и объективом 8 установлен модулятор 7. Он предназначен для последовательной модуляции измерительного и опорного лучей и для формирования управляющих световых сигналов для измерительного тракта. Модулятор выполнен в виде плоского диска, вращаемого с постоянной скоростью, например, электродвигателем типа ДМП-20 (не показан). В модуляторе выполнены полукольцевая прорезь с радиусом 20 мм и шириной 2 мм, десять отверстий диаметром 5 мм на полуокружности радиусом 31,83 мм другой половины диска, с расстояниями между отверстиями, равными диаметру отверстий 5 мм

двадцать отверстий диаметром 3,9 мм расположенных на окружности радиусом 25 мм равномерно и таким образом что половина отверстий находится на одних радиусах с окружностями диаметром 5 мм (фиг. 2).

Отверстия .диаметром 5 мм предназначены для модуляции измрительного и опорного лучей, отверстия диаметром 3,9 мм - для синхронизации работы синхронного детектора 15, полукольцевая прорезь - для синхронизации работы реверсивного счетчика 18.

С одной стороны модулятора 7 (фиг. 1) установлены: световод 2 от источника 1 света до кольцевой прорези, световод 3 от источника 1 света к отверстиям диаметром 3,9 мм световод 4 от источника 1 света к отверстиям диаметром 5 мм.

С другой стороны модулятора 7 расположены: фотопреобразователь 11 против прорези, фотопреобразователь 12 против отверстий диаметром 3,9 мм.

Источник 1 света предназначен для создания светового потока измерительного и опорного лучей и дополнительных лучей для фотопреобразователей 11 и 12. В качестве источника используется, например, лампа накаливания типа ОПЗ - 0,25.

Световоды 2-5 служат для передачи световой энергии от источника 1 света к модулятору 7 и от модулятора 7. к фотопреобразователю 10 (световод 5 установлен Между модулятором 7 и фотопреобразователем 10). Световоды вьшолнены из набора стеклянных волокон диаметром 20-40 мкм, количество волокон в наборе - около 200. Диаметр световодов должен быть меньше диаметров отверстий в модуляторе.

Конденсор 6 предназначен для формирования тела накала источника 1 света в плоскости модулятора 7 и представляет собой линзу с фокусным расстоянием 15 мм. Объектив 8 служит для формирования параллельного измерительного луча для направления его в рабочий объем 9. Фокусное расстояние объектива 8 равно 180 мм, при этом угол расхождения параллельного луча составляет 10 мин.

, Фотопрефбразователь 10 предназначен для преобразования световых сигналов в пропорциональные значения

электрического тока. В качестве его используется, например, фотоэлектроньй умножитель типа ФЭУ - 100.

Фотопреобразователи 11 и 12 служат для преобразования дополнительных световых лучей в электрические импульсы управления и синхронизации работы измерительного тракта и могут быть представлены фдтодиодами типа ФД-23.

Усилитель 13 используется как повторитель напряжения для согласовния выходного сопротивления фотопреобразователя 10 и выходного сопротивления полосового фильтра 14. В качестве усилителя 13 может быть использован операционный усилитель типа 544УД1Б.

Полосовой фильтр 14 предназначен для вьщеления первой гармоники частоты модуляции из входного электрического сигнала и может быть выполнен, например, на микросхемах серии 298 ФВ и 298 ФН.

Синхронный детектор 15 служит дй преобразования синусоидального электрического сигнала с выхода полосового фильтра 14 в пропорциональное постоянное напряжение, которое фильтруется фильтром 16 низких частот. Синхронный детектор.15 представляет собой управляемый ключ серии 590 КН5, а фильтр 16 низких частот - рез11стор и интегрирующий конденсатор.

Компаратор 17 предназначен для преобразования постоянного напряжения, поступающего с выхода фильтра -16 низких частот, в импульс, длительность которого пропорциональна натуральному логарифму входного напряжения. Он может быть выполнен на операционном усилителе сери1т К140.

Реверсивный счетчик 18 служит для преобразова:ния длительности импульса в пропорциональный двоичный код и вьтолнен на микросхеме серии

564 ИЕ 11. I

Регистратор 10 осуществляет наглядную индикацию выходного сигнала он включает в себя цифроаналоговый преобразователь и световое табло.

Генератор 20 предназначен для вырабатывания импульсов напряжения, задние фронты которых изменяются по экпоненциальному закону. Для это цели |1ожет быть использован ключ и конденсатор. Ключ периодически

71

подключает напряжение- -9 В конденсатору, который заряжается до этого напряжения . В следующий момент ключ отключает питание, и происходит разряд конденсатора через нагрузочный резистор. Это напряжение подается на второй вход компаратора 17.

Генератор 2 1 фо15мирует сигнал в виде меандра частотой 1 мГц и подает его на второй ;вход реверсивного счетчика 18. Генератор 21 может быть вьтолнен на микросхеме серии К 564.

Фотометр работает следующим образом.

Излучение от источника 1 света конденсором 6 фокусируется в плос--кость модулятора 7 и попадает в объектив 8, где преобразуется в параллельный пучок. Проходя рабочий объем 9 и испытывая при этом ослабление исследуемой средой, излучение попадает на вход фотопреобразователя 10. Вращающийся модулятор 7 периодически перекрывая измерительный световойлуч, модулирует его на частоте 10 кГц.

Опорный световой луч по световоду 4 поступает на-модулятор 7 одновременно с измерительным и в течение времени прохождения измерительного луча модулятором 7 перекрыт.

С выхода фотопреобразователя 10 через усилитель 13 сигнал с частотой 10 кГц поступает на вход полосового фильтра 14 (фиг. ) В сигнале, поступающем на вход фильтра 14, кроме полезной информации содержится весь спектр шума сигнала фото,преобразователя 10. Полосовой фильтр 14 выделяет первую гармонику частоты модуляция ТО кГц, тем самым максимально уменьшая шумовую составляющую сигнала фотопреобразователя. С выхода фильтра 14 сигнал поступает на первый вход синхронного детектора 15, на второй вход которого поступает синхронизирующий сигнал с фотопреобразователя 12 (фиг. Зо), на вхо которого поступает шо световоду 3 световой луч, модулиро.ванный двадцатью отверстиями модулятора 7.

Продетектированный сигнал с выхода детектора 15 поступает на вход фильтра 16 низких частот, где преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное измерительному сигналу на входе фотопреобразователя 10 (фиг. 3 i). С выхода фильтра 16 по768

стоянное напряжение поступает на первый вход компаратора 17, на второй вход которого с генератора 20 поступает напряжение, изменяющееся по экспоненциальному закону (фиг. 3- ). В момент совпадения напряжений на первом и втором входах компаратора 1 на его выходе формируется импульс, длительность которого пропорциональна натуральному логарифму постоянног напряжения по первому входу компаратора (фиг. 3л).

Этот импульс поступает на первый вход реверсивного счетчика 18, на второй вход которого с выхода генератора 21 подается тактовая частота 1 мГц. На третий вход счетчика 18 в течение всего времени прохождения измерительного сигнала поступает управляющий импульс с виде логической единицы с выхода дополнительного фотопреобразователя 11, на вход которого через полукольцевую прорезь в модуляторе 7 подается световой луч от источника 1 света по световоду 3 (фиг. 3). Таким образом, в счетчике 18 записывается количество импульсов, пропорциональное длительности импульса по первому входу счетчика.

По истечении времени поворота модулятора 7 на фотопреобразователь 10 по световоду 5 поступает опорный луч, модулируемый модулятором 7 с частотой 10 кГц (как и измерительный луч). Путь и время прохождения опорного сигнала те же самые, что и для измерительного. Отличие заключается лишь в управляющем сигнале с дополнительного фотопреобразователя 11. В течение всего времени прохождения опорного луча на третий вход счетчика 18 поступает управляющий сигнал в виде логического нуля, так как на этой полуокружности модулятора 7 прорези нет, и световой сигнал со световода 2 перекрыт. При этом реверсивный счетчик 18 производит вычитание из кода измерительного сигнала код опорного сигнала.

Следовательно, после каждого полного оборота модулятора 7 в реверсив ном счетчике 18 записывается код, равный разности натуральных логарифмов опорного и измерительного сигналов, по которому на регистраторе 19 получают информацию о величине ослабления светового Сигнала исследуемой средой.

Оптическая схема содержит световоды, установленные между источником света и модулятором, модулятором и фотопреобразователем, и диаметры световодов меньше диаметров отверстий в модуляторе,

В предлагаемом фотометре вместо параллельной схемы прохождения светового и электрических сигналов применена последовательная схема, при которой модуляция опорного и измерительного световых лучей осуществляется одним модулятором на одной частоте, соответствующей минимальному, уровню шума фотопреобразователя, что позволяет увеличить чувствительность фотометра.

Пределы для п числа отверстий в модуляторе установлены следующим образом.

Для каждого фотопреобразователя существует область мнимального уровия собственных шумов, частотный спектр которых определяется дробовыми шумами фотокатода и эмиттеров, эффектом мерцания (фликкер-эффект) катода и эмиттеров, а таедсе термошума№1 сопротивления нагрузки. Определяется эта область для каждого фотоприемника индивидуально, и минимальное значение уровня шума имеет различное абсолютное значение (изменяется от 0,5 до 10 мкВ/Гц),

Таким образом, формулировка минимальный уровень шума фотопреобразователя обозначает миниьюльное значение шума для данного фотопреобразователя или типа фотоприемника.

Именно этот шум ограничивает чувствительность фотометров,

Исследованы спектральные характеристики шумов для фотопреобразователей типов ФЭУ-100 и ФЭУ-86 (партии по 10 шт.). Усредненная спектральная характеристика шзгмов фотопреобразователя представлена на фиг. 4.

Полученные результаты показали, что для фотопреобразователей указа. типов минимальный уровеиь собственных шумов соответствует частотам, равным или превышающим 1 кГц, Следовательно, и частота модуляции . лучей Р/|(ц должна находиться в этом диапазоне,

Диаметр модулятора ограничивается внутренним диаметром корпуса фотометра. Для создания малогабаритных, компактных фотометров (в частности, для океанографии) диаметр модулятора не должен превьш1ать 70 - 80 мм,

Реально изготовленный модулятор имеет диаметр 72 мм, а отверстия для модуляции лучей выполнены на окружности диаметром D, равным 68 мм,

Так как расстояния между отверстиями должнц быть равны диаметру отверстий (для обеспечений постоянно частоты модуляции со скважностью 2), можно записать

,(1)

где Р - длина окружности, на которой расположены отверстия для модуляции лучей; Л - 3,14;

D - диаметр этой окружности, D 68 мм;

п - число отверстий для модуляций лучей; d - диаметр отверстия для модуляхщи лучей..

Отсюда число отверстий для модуляции лучей

.

(2)

п

4п

Диаметр отверстия d для модуляции лучей ограничивается световым диамет ром световода и коэффициентом заполнения отверстия.

Световой диаметр световода не может быть менее 1 мм (по технологическим соображениям). Коэффициент заполнения отверстия К „ для исключения влияния биения узла модулятора целесообразно выбирать равным 0,8,

Поэтому диаметр отверстия

J dceer t 4 ос d7/}-/ - 1,25 мй,

Лз«п Следовательно, число отверстий

п . . 40.

Частота модуляции лучей F может быть записана как

УАМГ (3) где частота вращения двигателя модулятора.

Обычно применяют двигатели (например, типа ДПМ-09, ДПМ-25) с числом оборотов от (2 500±750) до () об/мин.

Для обеспечения частоты модуляЦ ™ «ОА кГц (согласно п.1) число отверстий и соответствующая скорость вращения двигателя приведены ниже: п 40 10 9 8 6 5 ГдвИГ 750 3000 3300 3750 5000 6000 Таким образом, чтобы обеспечить требуемую частоту модуляции лучей, соответствующую минимальному уровню шумов фотопреобразователя, и при этом использовать стандартные электродви- 10 гатели и получить небольщие габариты фотометра, целесообразно применять модулятор с числом отверстий - 40, Вьшолнение модулятора с накладьгоает ограничения на применяемый электродвигатель. Вьтолнение числа отверстий более 40 также требует выбора специальйого двигателя и вызывает увеличение габаритов фотометра. Выполнение в модуляторе отверстий, расположенных равномерно по полуокружности с расстояниями между отверстиями, равными их диаметру (и отсутствие отверстий на другой половине этой полуокружности) позволяет модулировать измерительный и опорный лучи поочередно и на одной частоте. Выбор числа этих отверстий (например не менее 10) дает возможность подбором соответству5{лцей скорости вращения модулятора обеспечить такую частоту модуляции лучей, на которой собст венные шумы выбранного фотопреобразователя будут минимальными, что и обусловливает повьщ1ение чу1вствитель- ности фотометра. Вследствие- осуществления модуляци световых лучей на одной частоте отпа дает необходимостьиспользования двух фильтрате или выполнения коммутируемого фильтра (как в известном). Использование последовательной схемы прохождения световых лучей снижает требования;к динамическому диапазону фотопреобразователя и усилителя, что ведет к упрощению устройства (исключены два управляемых ключа и конденсаторы из канала обработки сигнала). Выполнение схемы обработки выходного сигнала из соединенных последовательно фильтра низких частот, компаратора и реверсивного счетчика, поз воляет достаточно просто получать выходной сигнал в форме, удобной для передачи его по кабелю, например, из погружаемого фотометра в бортовое устройство (в океанографии). 11201 5 612 Выполнение в модуляторе полукольцевой прорези и отверстий, расположенных равномерно по окружности так, что половина из числа наход ится на одних радиусах с отверстиями для модуляции лучей, а также то, что против них установлены дополнительные фотопреобразователи, один из которых подключен к синхронному детектору, а другой - к реверсивному счетчику. позволяет обеспечить синхронизацию работы измерительного тракта при последовательном подключении измерительного и опорного лучей. Использование световодов для опорного луча, установленных между источником света и модулятором, модулятором и фотопреобразователем, дает возможность исключить дополнительные источники света и систему зеркал и тем самым упростить оптическую фотометра, устранить погрешности измерения от рассеянного света внутри фотометра и снизить потребляемую мощность. Вьтолнение световодов с диаметром, меньшим диаметра отверстий в модуляторе, позволяет Обеспечить более правильную форму промодулированного луча, близкую к меандру. что обеспечивает лучшую фильтрацию сигнала полосовым фильтром и тем самым снижает погрешность измерения, Практическая реализация предложенного фотометра позволила повысить .чувствительность в несколько раз. Это можно подтвердить следующими расчетами.. 0 сутствие конкретной величины чувствительности у известного фотометра приводит к необходимости рассчитать для него эту характеристику ориентировочно. Задавшись частотами модуляции измерительного и опорного сигналов 1 кГц и 10 кГц, частотной характеристикой спектральной плотности шума, фотопреобразователя, а также частотными характеристиками примененных фильтров, можно предположить, что уровень шума в полосе пропускания фильтров будет не менее 10 мВ. В предлагаемом фотометре применен фотоэлектронный умножитель типа ФЭУ-100, который, как показ1али измерения, имеет в полосе частот от 1 до 10 мГц уровень шума 0,5 мкВ/Гц. При ширине полосы пропускания полосового фильтра 100 Гц на частоте модуляции 10 кГц уровень шума составляет 250 мкВ (так как оказывают влияние высшие гармоники 50 Гц). С учетом шумовой составляющей нагрузочного резистора фотопреобразователя уровень шума .на выходе фильтра низких частот составляет не более 1 мВ,

Таким образом, применение последовательной модуляции измерительного и опорного лучей на частоте минимального шума фотопреобразователя и использование полосового фильтра позволяет повысить чувствительность по сравнениюс известным примерно в 10 раз,

ФОТОМЕТР, содержапщй источник света, оптическую систему для формирования измерительного и опорного каналов, установленные по ходу излучения, модулятор, вьтолненнь1й в . виде дкска, фотопреобразователь с подключенными к нему последовательно усилителем, фильтром, синхронным детектором, схемой обработки выходного сигнала и регистратором, a также систему для формирования двух дополнительных опорных каналов с двумя фотопреобразователями, отличающийся тем, .что, с целью повьшения чувствительности, в нем фильтр выполнен, полосовым. резонансная частота которого соответствует частоте минимального уровня шумов фотопреобразователя, в модуляторе на отдельных концентрических окружностях вьтолмены полукольцевая прорезь, на одной половине модулятора, 1 отверстий для модуляции лучей, расположенных на полуокружности другой половины модулятора равномерно с расстояниями между отверстиями, равными их диаметру, я 2г отверстий, размещенш-тх равномерно по окружности, расположенной между окружноетяьда, на которых выполнены полукольцевая прорезь ип отверстийтак, что половина их находится на одних радиусах с отверстиями для модуляции лучей, где п«10-40, a схема обработки выходного сигнала выполнена из соединенных последовательно фильтра низких частот, компаратора, к второму входу которого подключен генератор экспоненциального напряжения и реверсивного счетчика, к второму входу которого подключ.ен выход генератора-тактовой частоты, при этом к второму входу синхронного детектора и третьему входу реверсивного счетчика подсоединены выходы дополнительных фотопреобразователей.

ff «НИШ iiinnnmifmfmnnnjmnim ишшшлгишл

tff /f ««/r«Vf

J

T I

799ЮОО

250

. 2

-T-

rs0o

П50