Двухволновый фотометр Советский патент 1986 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к фотометрии и касается двухволновых фотометрических устройств для определения состава, свойств и структуры различных веществ, особенно при использовании методик, связанных с проведением исследований в процессе кинетических реакций.

Цель изобретения - сокращение времени измерений.

На чертеже представлена структурная схема двухволнового фотометра.

Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, подключенный к входу первого дифференциального усилителя 2, первый фотоприемник 3. Выход первого дифференциального уси- ,литёля 2 соединен с первым источником 4 излучения, который оптически связан через первый -монохроматор 5, например, на аналитическую длину волны, с первым оптическим разделителем 6. Один выход первого оптического разделителя 6 связан через первую кювету 7 с фотоприемником 3, а второй выход связан с вторым фотоприемником 8, Первый фотоприемник 3 подключен к одному входу второго дифференциального усилителя 9, выход которого соединен с вторым источником 10 излучения, который оптически связан с вторым монохроматором 11, например, на эталонную длину волны. Второй монохроматор 11 связан с вторым оптическим разделителем 12, один выход которого через вторую кювету 13 связан с.третьим фотоприемником 14, подключенным к второму входу второго дифференциального усилителя 9. Второй выход оптического разделителя 12 связан с четвертым фотоприемником 15, подключенным к регистратору 16.

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 опорного напряжения формирует сигнал, который поступает на вход первого дифференциального усилителя 2, на второй вход которого поступает сигнал с второго фотоприемника 8. Разность сигналов, усиленная первым дифференциальным усилителем 2 поступает на первый источник 4 излучения . Сигнал на выходе первого дифференциального усилителя 2 должен быть достаточной мощности, чтобы уп- |равлять величиной лучистого потока jnepBoro источника 4 излучения. Лучис2395241

тый поток первого источника 4 излу- чения поступает на первый монохроматор 5, с помощью которого выделяется излучение, например, с аналитической

5 длиной волны А . После первого моно- хроматора 5 лучистый поток Р ( А, ) падает на первый оптический разделитель 6. Часть К, лучистого потока Ф(/) пройдет первый оптический раз0 делитель 6 в направлении первой кюветы 7. Если обозначить для длины волны А, коэффициент пропускания первой кюветы 7 с находящимся в ней исследуемым веществом через (А ) ,

15 то на первый фотоприемник 3 поступит лучистый поток К, Т , ( А ,) t ( Л) . На выходе первого фотоприемника 3 будет сформирован электрический сигнал V, V, 5/А,)КД(А,)Ф„(А,), (1)

20 где S,(/l,) - чувствительность первого фотоприемника 3 к излучению с длиной волны А . Другая часть К лучистого потока

пройдет первый оптический разделитель 6 в направлении второго фотоприемника 8 и будет им преобразована в электрический сигнал V

V, 5,(А,)К,Ф/А,), (2)

30 где S,. ( А,) чувствительность второго фотоприемника 8 к излучению с длиной волны А, .

Сигнал с выхода второго фотоприемника 8 поступает на вход первого

дифференциального усилителя 2. В устройстве образован первый опто- электронный канал отрицательной обратной связи, в который входят источник 1 опорного напряжения, первый дифференциальный усилитель .2, вто- рой фотоприемник 8 и первые источник 4 излучения, монохроматор 5, оптический разделитель 6. Поскольку при достаточно большом коэффициенте уси ления первого дифференциального усилителя 2, который работает в зоне устойчивости, т.е. без самовозбуждения, можно считать, что сигналы на его входах равны, можно записать:

5°V. V, ,(3)

где Vg сигнал, формируемый источником 1 опорного напряжения.

За счет воздействия первого опто- электронного контура отрицательной

55 обратной связи стабилизируется мощность лучистого потока, падающего на второй фотоприемник 8, а значит и на первую кювету 7. Если мощность из40

лучения, падающего на второй фотоприемник 8, отличается от той, которая необходима для формирования сигнала V, , удовлетворяющего равенство (3), то на выходе первого дифферен- циального усилителя 2 формируется сигнал, корректирующий мощность лучистого потока первого источника 4 излучения. Следовательно, изменяется и поток ) на выходе первого MOHoxpoMatopa 5 так, чтобы часть потока, поступающего на второй фотоприемник 8 была достаточной для формирования последним электрического сигнала в соответствии с равенством (3). Поскольку коэффициенты деления лучистого потока К, и К первым оп- тическим разделителем 6 являются постоянными величинами, не зависящими от Ф( Л,), то на пер вую кювету 7 по- ступит стабилизированный по мощности лучистый поток. .

На основании выражений (2) и (3) можно найти ЯР( Л) V ,, ( А,) Подставив полученное значение лучис- того потока в вьфажение (1), запишем

V, - , (Л,)К,г(Л)/К,8,(,1,) (4),

Сигнал с выхода первого фотоприемника 3 поступает на вход второго дифференциального усилителя 9, с вы- хода которого усиленный сигнал достаточной мощности подается на второй источник 10 излучения, который формирует лучистый поток, поступающий на второй монохроматор 11. На выходе второго монохроматора 11 выделяется лучистый поток с длиной волны AJ , например эталонной, мощность которого обозначим через T oCAj.). Часть Kj лучистого потока P(Aj) пройдет второй оптический разделитель 12 и поступит на вторую кювету 13. Во второй кювете 13 находится то же исследуемое вещество, что и в кювете 7. Обоз1Гачим коэффициент пропускания второй кюветы 13 с находящимся в ней исследуемьм веществом для излучения с длиной врлны /1 через Т (Л). Лучистый поток после прохождения второй кюветы 13 падает на третий фотоприемник 14, на выходе которого формируется электрический сигнал Vj, который можно записать по аналогии с выражением (1) в следующем виде:

V, 8,(Л,)К,Ф()П(,), (5)

где 5(Д) - чувствительность третьего фотоприемника 14 к излучению с длиной волны .

5 10 15 20

25

зо „.

5

5

0

С выхода третьего фотоприемника 14 сигнал поступает на второй вход второго дифференциального усилителя 9. Образуется второй оптоэлектроиный контур отрицательной обратной связи« в который входят первый фотоприемник 3, второй дифференциальный усилитель 9, вторые источник 10 излучения, монохроматор 11, оптический разделитель 12, кювета 13 и третий фотоприемник 14..Первый оптоэлектронный контур отрицательной обратной связи связан с вторым через оптический канал, включанячий первый оптический раздели- тель 6, первую кювету 7 и фотоприем - ник 8. При достаточно большом коэффициенте усиления второго дифференциального усилителя 9 (в зоне устойчивой работы) можно считать, что сигналы на его входах равны между собой, т.е.

V V,.(6)

За счет воздействия второго опто- электронного контура отрицательной обратной связи стабилизируется мощность излучения с длиной волны так, чтобы сигналы первого фотоприемника 3 и третьего фотоприемника 14 бьти равны, т.е. вьшолнялось равенство (6) . Опорным сигналом во втором оптоэлектронном контуре отрицательной обратной связи служит сигнал с выхода первого фотоприемника 3, который пропорционален оптическому свойству исследуемого вещества на дпине волны А . Если р;авенство (6) нарушилось, на выходе второго дифференциального усилителя 9 формируется сигнал, изменяющий мощность лучистого потока с длиной волныД , такого знака и величины, чтобы соотн мае- ниё (6) выполнялось.

Обозначим через К часть лучистого потока Фр (AI которая проходит через второй оптический разделитель 12 в направлении четвертого фотоприемника 15. На его выходе формируется электрический сигнал

V,, (A,P(A,), (7) где ) - чувствительность четвертого фотоприемника 15 к излучению с длиной волны /( ,

Подставив в выражение (5) равенст- во (6), найдем: Ф. ( ) V. /K.S-x

/Jv./.vJL эО

;t(.Aj,). Подставив последнее вырая;ение в (7), получим: . ..

I - V, К,5,(А)/КзВ5(Л,Пи,) (8)

Подставив в выражение (8) формулу (А), получим:

V. аГ(Д )/t(,,),(9)

где а V, К,К,5Д)3()/К,КзЗ,х X ( Л,)5(-). .

В вьфажении (9) коэ4фициейт а является постоянной величиной, поскольку ни один из сомножителей не зависит oTtCA,) илиТ:(А). Сегулиройкой значения V этот коэффициент можно установить, например, равньп единице Сигнал с четвертого фотоприемника 15 поступает на регистратор 16, с которого считывается результат изме- реш1я, В качестве регистратора 16 может служить самопишущий или стрелочный прибор, цифровой регистратор или иное устройство, регистрирующее электрический сигнал.

Источниками 4 и 10 излучения в предпагаемом устройстве могут служить лампы накаливания, светодиоды или другие источники лучистой энергии В качестве фотоприемников 8, 3, 14 и 15 могут использоваться фотоэлектрические преобразователи с линейной энергетической характеристикой фототока, например фотодиоды.

Устройство позволяет регистриро- вать не только отношение коэффициентов гфопускания исследуемого вещества на двух длинах волн, но и отношение, его коэффициентов рассеяния. Дпя этого первый 3 и третий 14 фотоприем I ниКи дсушны быть установлены под необходимым углом к соответствующим кюветам 7 и 13, чтобы на фотоприемники 3 и 14 падал рассеянный лучис- . тый роток.

Двухволновой фотометр позволяет уменьшить время измерения оптических свойств вещества за счет одновремен- ного облучения этого вещества на двух дпинах воли без затрат времени на переключение монохроматора. При этой сохраняется высокая точность измерения за счет воздействия опто- электронных контуров отрицательной обратной связи. Функционирование этих контуров обеспечивает получение результата измерения без дополнительных вычислительных процедур, что также уменьшает время измерения. Применение идентичных фотоприемников особенно первого 3 и второго 8 фотоприемников, а также третьего 14 и четвертого 15 фотоприемников соответственно значительно уменьшает погрешность измерения, которая может возникнуть за счет изменения чувствительности при колебаниях температуры или изменениях длины волны лучистых . потоков. Это связано с тем, что чувствительности фотоприемн ас присутствуют в коэффициенте о выражения (9) как в числителе, так и в знаменателе соответственно.

Формула изобретения

Двухволновой фотометр, содержащий последовательно установленные и оп- .тически связанные источник излучения первый монохроматор, оптический разделитель, кювету и первый фотоприем- ник, второй фотоприемник, оптически связанный с выходом оптического разделителя и подсоединенный к одному из входов дифференциального усилителя, выход которого соединен с истопником излучения, чторой монохроматор и регистратор, отличающий- с я тем, что, с целью сокращения времени измерений, он снабжен источником опорного напряжения, вторым источником излучения, оптическим разделителем, кюветой и дифференциальным усилителем, а также третьим и четвертым фотоприемниками, причем источник опорного напряжения подключен к другому входу первого дифференциального усилителя, второй источник излучения через второй монохроматор оптически связан с вторым оптическим разделителем, один выход которого через вторую кювету оптически связан с третьим фотоприемником, а другой - с четвертым, подключенным на входе регистратора, выходы первого и третьего фотоприемника подключены к входам второго дифференциального усилителя, а выход последнего - к входу второго источника излучения.

Редактор Н.Тупица

Составитель С.Непомнящая

Техред И. Попович Корректор Л. Пилипенко

Заказ 3386/40Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано для определения состава, свойств и структуры веществ. Изобретение позволяет сократить время измерений за счет параллельного определения двухволно- вых свойств вещества путем создания возможности одновременного облучения его на двух длинах волн с использованием результата измерения на одной длине волны для управления мощностью излучения на другой длине олны. 1 ил. §