Двухволновый фотометр Советский патент 1985 года по МПК G01J1/44 

I1

Изобретение относится к фотометрии, а именно к области построения двухволновык фотометрических устройс для анализа состава структуры и качества различниК веществ.

Известны приборы, предназначенные для анализа состава исследуемых веществ, содержащие источник излучения монохроматор, фотоприемник и регистрирунвдее устройство. Эти приборы строятся по нулевой, разделительной или фазометрической схемам (,у ,

Недостатками этих устройствявляются изменение мощности излучения при изменении длины волны, предостав ление результата измерения отдельно для каждой волны, а также недоста™ точные стабильность и точность.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является двухволновой фотометр, содержащий источник излучения, оптически связанный с двумя монохроматорами, переключатель монохроматоров, кюветное отделение, оптически связанное фотоприемНИКОМ, соединенным с пороговым устройством, выход которого через элемент И соединен со счетным входом счетчика, а также генератор тактовых импульсов, подключенный к переключателю монохроматоров и установочному входу счетчика, кроме того, в устройство входят восстановитель постоянной составляющей, эталонный поглотитель и переключатель эталонного поглотителя 2j ,

Недостатками известного устройства являются низкая точность измерений за счет формирования на выходе разности ( а не отношения ) коэффициентов пропускания исследуемого вещества на анал,штической и эталонной длинах волн, влияние отличий в спектральной чувствительности фотоприемника, погрешности установки эталонного поглотителя, различия в мощности светового потока на выходе монохроматоров, а также погрешности восстановителя постоянной составляющей и других факторов.

Целью изоб -етения является повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в двухволновой фотометр f, содержащий источник излучения, оптически связанный с двумя монохроматорами, переключатель монохроматоров с подключенным к нему генератором тактовых

592

импульсов, который соединен с установочным входом счетчика, кюветное отделение, оптически связанное с фотоприемником , соединенным с пороговым устройством, выход которого через элемент И соединен со счетным входом счетчика, введены оптический разделитель, второй фотоприемник, дифференциальный усилитель, генератор опорной частоты, а также последовательно соединенные цифровой регистр, цифроаналоговый преобразователь и интегратор, при этом оптический разделитель установлен между монохроматором и кюветным отделением и оптически связан с вторым фотоприемником, который подключен к входу дифференциального усилителя, причем генератор опорной частоты подключен к второму входу элемента И, цифровой регистр подключен к выходу счетчика, а выход интегратора соединен с вторым входом дифференциального усилителя, выход которого подключен к источнику излучения, генератор тактовых, импульсов соединен с входами синхронизации цифрового регистра, интегратора и генератора опорной частоты.

На чертеже представлена структурная схема двухволнового фот ометра. I

Устройство содержит генератор тактовых импульсов, источник 2 излучения, оптически связанный через первый монохроматор 3 на аналитическую длину волны или через второй монохроматор 4 на эталонную длину волн с оптическим разделителем 5, С оптическим разделителем 5 связаны один фотоприемник 6 и через кюветное отделение 7 другой фотоприемник 8, которьй подключен к входу порогового устройства 9, выход которого соединен с первым входом элемента И 10. Второ вход элемента И 10 подключен к выходу генератора I опорной частоты, а выход соединен со счетным входом счетчика 12, которьй подключен к последовательно соединенным цифровому регистру 13, цифроаналоговому преобразователю 14, интегратору 15 и дифференциальному усилителю 16. К второму входу дифференциального усилителя 16 подключен второй фотоприемник 6, а выход дифференциального усилителя 16 соединен с источником 2 излучения Монохроматоры 3 и 4 связаны с переключателем 17 монохроматоров, вход 3 которого соединен с генератором 1 т товых импульсов и подключен к входа синхронизации интегратора Л5, цифрового регистра 13, генератора-11 опорной частоты и установочному вхо счетчика 12, Устройство работает следующим об разом. Генератор i тактовых импульсов формирует последовательно во времен два тактовых импульса, которые поступают на вход переключателя 17 мо нохроматоров, входы синхронизации и тегратора 15, цифрового регистра 13 генератора 11 опорной частоты и на установочный вход счетчика 12. В пе вом такте работы устройства переклю чателем 17 монохроматоров в оптичес кий тракт вводится первый монохрома тор Зна аналитическую длину волны А а во втором такте - второй монохром тор 4 на Э1апонную длину волны j С приходом первого тактового импульса в цифровом регистре 13 устан Ливается код Ng заранее з.аданного числа. Этот код поступает на вход цифроаналогового преобразователя 14 которьй формирует на выходе сигнал Ug- максимальное напряжение на выходе преобразователя 14 при подаче на его вход максимального кода N. Напряжение с вы хода преобразователя 14 поступает на вход интегратора 15, в котором с приходом тактового импульса начинается процесс интегрирования. На выходе интегратора 15 формируется напряжение U,, (t)U,t/T, где Т - по стоянная времени интегрирования, а t - текущее значение времени, Под ставив в последнее выражение значение и , получаем и„,(г) Сигнал с выхода интегратора 15 поступает на второй вход дифференциального усилителя 16, на первый вход которого поступает сигнал с выхода второго фотоприемника 6. Раз ность входных сигналов усиливается дифференциальным усилителем 16 и поступает на источник 2 излучения. Сигнал на выходе дифференциального усилителя. 16 должен иметь достаточную мощность для управления световым потоком источника 2 излучения Часть светового потока от источника 2 излучения, пройдя монохроматор 3, оптический разделитель 5, поступает 594 на второй фотоприемник 6, ко горым преобразуется в электрический сигнал. Так образуется отрицательная обратная связь, в контур которой включен один из оптических каналов устройства. Дифференциальный усилитель 16, входящий в контур отрицательной обратной связи, формирует на выходе сигнал, который управляет величиной светового потока источника 2 излучения так, чтобы в каждый момент времени разность сигналов на входах дифференциального усилителя 16 была минимальная. Если обозначить световой поток длиной волны Д на входе оптического разделителя 5 через o( тогда часть потока, падающего на второй фотоприемник 6, будет K7(i)o(ll,-t, где г () коэффициент деления светового потока оптическим разделителем 5 в направлении второго фoтoпpиe шикa 6« Другая часть светового потока про- ходит оптический разделитель 5 и падает на кюветное отделение 7. Эта часть потока будет Jf, (,)Рр(ft,,t) . Коэффициент 1(, (л,) определяет часть потока (ft,,i), проходящего оптичес-г кий разделитель 5 в направлении кюветного отделения 7. Если коэффициент пропускания кюветы с исследуемым веществом для длины волны i, обозначить через S (,) , то на фотоприемник 8 падает световой поток К (.1 к (i)P.5(Л,t).Фотоприемники 8 и 6 формируют соответственно электрические сигналы иф,(Л1 ,n{fl,U,(,(,,t), (2) ,и.(гОК2(,)Ф„(А,,1), (3) де 5, (р,) и 2 () чувствительность оответственно фотоприемников 8 и 6 ля излучения с Л;( , При большом коэффициенте усиления ифференциального усилителя 16 (при аботе в зоне устойчивости), который ходит в контур отрицательной обратой связи, можно считать, что сигнаы на входах усилителя 16 равны, т.е. ipj(a,ii) („Д). Учитывая последнее выажение и формулу (З), найдемР,(1,,4:) П, (Л,. Подставив полученое значение ФоСй, ,t) в выражение (2) аскрывают U(t) в соответствии с (1) U(p,U.,t UoNoS,l,)J(OK,(i,H/ /Nr„T6гUJKг(,l. Линейно изменяющееся напряжение (J ) с выхода фотоприемника 8 поступает на вход порогового устройства 9, В момент времени t, после начала первого такта напряжение U(p (,t,) становится равным пороговомунапряжению Uf, и пороговое устройство 9 срабатывает, поэтому можно написать U U ( 7, t, ). Учитывая nOLUnf a lO- wnj-vn j-i--, последнее Отношение и выражение (4), .л,г,ы« ггЭлиДДИг ff i,-U,,iV2bn/UoN 5,(,U,(X,) После срабатывания порогового уст ройства 9 на его выходе формируется сигнал, который поступает на первый вход элемента И 10 и закрывает его. На второй вход элемента И 10 поступают счетные импульсы с частотой еле дования fg с генератора 11 опорной частоты. Генератор I начинает свою работу с приходом на вход синхронизации тактового импульса с генератора 1 тактовых импульсов. Поэтому число импульсов п, прошедших элемент И 10 в первом такте, равняется n,f«t. или, учитывая (5), получи О tf f loUnNmT гt ЛKг(0 UoNoe,{ iOSU. С приходом переднего фронта такто вого .импульса на установочный вход счетчика 12 в нем устанавливается ну левой код. Импульсы с выхода элемента И 10 поступают на счетный вход . счетчика 12, поэтому в первом такте в счетчике 12 будет записан код числа п, , которое характеризует оптиче кие свойства вещества на длине волны , После окончания первого такта код числа П| переписывается из счетчика 12 в цифровой регистр 13. Во втором такте в оптический канал вводится монохроматор 4 на эталонную длину волны Л 2 , Записанный в цифровом регистре 13 код числа п поступает на вход преобразователя 14, на выходе которого, формируется сигнал и n,Ug/Nj. Этот сигнал поступает на вход интегратора 15, на ходе которого формируется линейно изменяющееся напряжение (t) Urtt/T или, подставив значение U, получим Un2(t) , (7) П 6 Выражение (7) получено аналогичо выражению (1 ) и все входящие в его обозначения определены. Во втором такте, как и в первом, устройстве действует контур отицательной обратной связи, в котоый входят те же элементы, т.е. исочник 1 излучения, оптический канал, ключающий второй монохроматор 4,опический разделитель 5, фотоприемик 6, дифференциальный усилитель 10. а выходе дифференциального усилителя 16 формируется сигнал, корректируилций световой поток источника 1 излучения так, чтобы сигнал на выходе фотоприемника 6 соответствовал сигналу на втором входе дифференциального усилителя 16. На выходах фотоприемников 8 и 6 во втором такте сигналы соответственно будут ,Ui,iV-o,U,f.U,)K,()oUz,t)-, (8) )5,U,)V2{ь)Po(.,t), (9) где 5. (л)и 2 ((j)- чувствительность соответственно фотоприемников 8и 6 для длины волны 1,(-Д,)и К2( коэффициенты деления светового потока оптическим разделителем 5 в направлении фотоприемника 6 и кюветного отделения 7; (г1 коэффициент пропускания исследуемого вещества на эталонной длине волны; т (д 4) - световой поток,падающий на оптический разделитель 5. Вследствие воздействия контура отрицательной обратной связи сигналы на входах дифференциального усилителя 16 равны, т.е. (Jtpj(Ji,t) fJn, (.t). Из последнего соотношения и выражений (7 ) и (9 находим Фо. ь Ьи М/М Т5г{ДгНг(Лг Подставиви полученное выражение в (в), получаем (.) ooj, Сигнал с выхода фотоприемника 8 поступает на вход порогового устрой ства 9, которое срабатывает в момен времени t после начала второго так Для этого момента времени выполняет ся соотношение (ДА2,iz). Учитывая это равенство и выражение (10), находимte ().Uo5,(i,lK,(iil( С приходом переднего фронта второ го тактового импульса на вход синхро низации счетчика 12, в последнем устанавливается нулевой код. На счетны вход счетчика 12 через элемент И 10 поступает число импульсов .T., поскольку генератор 11 опорной часто ты начинает формировать счетные импульсы с приходом тактового импульса Учитывая два последних выражения, на ходим ,)Кг1Лг)1 /п,и„5Д 2 К,()(Л,). Подставив в полученное выражение значение П( из (6), получаем ,l,)Xj,()k,,) 2(,1 5,(A,K,()Kг(A) ( М ГиГ) где а Мо5гК)5,(М)(г(Лги11 Л/. /5,1ХЛ52(, постоянный коэффициент, который выбО ром Np можно установить равным единице. Считая b(,l , гдебд коэффициент пропусканк : исследуемого объекта, которьй находится во внешней среде с коэффициентом пропускания С , найдем .Sff , Таким образом, на счетчик 12 во втором такте поступает число импульсов п, прямо пропорциональное отношению коэффици- ентов пропускания исследуемого вещества на двух длинах волн. Информация со счетчика 12 может быть счита- .на после окончания второго такта работы устройства. На работу предложенного устройства не влияют: величина постоянной времени Т интегратора 15, напряжение Ufj порога срабатывания порогового устройства 9, частота f генератора 1 опорной частоты, напряжение U и код N преобразователя 14. Кроме того, .за счет двухлучевой оптической схемы и введения в устройство отрицательной обратной связи, в контур которой включен один из оптических каналов, на результат измерения не влияет за- висимос ъ чу ;ствительности фотоприемников от длины волны излучения и разница в световых потоках.формируемых на двух длинах волн. Рассмотрим коэффициент а в конечном выражении для П2. В этот коэффициент входит отношение спектральных чувствительностей фотоприемников 6 и 8. Введем обозначение (a,)/5,(l,) для длины волны if . Будем считать, что фотоприемники 6 и 8 одного типа, тогда на длине волны Д их чувствительность, например, возрастает соответственно на и52 и и 5, поэтому можно написать5,(,й5и52(.((f,1 ьЭ. Следовательно, на длине волны 7 коэффициент В изменится на & В и станет равным В + йВ 5zi7,). Найдем относительную погрешность изменения В как 5 В U В/В .l 852-65, о & -:- .v ::-:- -( , где85,-й5,/5,(а,1и832-й52/5т(Ал) - относительные погрешности изменения чувствительности соответственно фотоприемников 8 и 6 при изменении длины волны излучения. Известное устройство построено по однолучевой оптической схеме, поэтому в нем работает один фотоприемник, у которого при изменении длины волны изменяется чувствительность на йб 5((,. Относительная погрешность измерения S 5 - л5/5() Из сравнения выражений для §В и об видно, что предложенное устрой- ство имеет меньшую погрешность определения отношения спектральных коэффициентов пропускания исследуемого вещества по сравнению г однолучевой оптической схемой. Это следует из того, что в числителе выражения для 8 В стоит разность погрешностей, а знаменатель больше единицы, поэтому 8В 83,если S5 Sg,.;. В предпоженном ус .ройстве за счет введения контура отрицательной обратной связи световые потоки регулируются по заданной завис 1мости. На обоих длинах волн эти потоки непрерывно при измерении контролируются уже на выходе монохроматоров и лю91163

бой возникающий разбаланс устраняется с быстродействием, определяеьмм элементной базой устройства. Необходимо только, чтобы фотоприемник 6, ВХОДЯ1ЦИЙ в контур отрицательной об- 5 ратной связи, обладал линейной энергетической характеристикой фототока. Второй фотоприемник 8 работает всегда в одной точке этой характеристики, соответствуюцей формированию сигнала,10 равного порогу срабатывания лорого5910

вого элемента 9, поэтому линейность энергетической характеристики фототока для него не имеет значения.

Предложенное устройство формирует на выходе цифровой эквивалент отношения коэффициентов пропускания на двух длинах волн. При этом в процесс аналого-цифрового преобразования включен оптический канал, что также повьппает точность .измерений по сравнению с иэвестиым устройством.

ДВУХВОЛНОВОЙ ФОТОМЕТР, содержащий источник излучения, оптически связанный с двумя монохроматорами, переключатель монохроматоров с подключенным к нему генератором тактовых импульсов, который соединен с установочным входом счетчика, кюветное отделение, оптически связанное с фотоприемником, соединенным с пороговым устройством, выход которого II 1 й fet v:ijrtJjA через элемент И соединен со счётным входом счетчика, отличающи йс я тем, что, с целью повьппения точности измерений, в него введены оптический разделитель, второй фотоприемник, дифференциальный усилитель, генератор опорной частоты, а также последовательно соединенные цифровой регистр, цифроаналоговый преобразователь и интегратор, при этом оптический разделитель установлен между монохроматором и кюветным отделением и оптически связан с вторым фотоприемником, который подключен к входу дифференциального усилителя, причем генератор опорной частоты подключен к второму входу элемента И, цифровой (Л регистр подключен к вьгходу счетчика, а выход интегратора соединен с вторым входом дифференциального усилителя, выход которого по/ключен к источнику излучения, генератор тактовых импульсов соединен с входами синхронизации генератора опорной частоты, о: цифрового регистра и интегратора. О9 ел г