Спектрометр Советский патент 1988 года по МПК G01J3/12 

&

(Л

с

4

со -

О5 00 СХ)

Фм.Г

гистрируемого контура спектральной линии на заданном от максимума уровня и максимуму спектральной линии соответственно. Это достигается введением блоки 6 вьщеления максимума спектральной линии, подключенного к выходу фртопреобраэователя, селектора 7 наличия линии, блока 8 коммутации сигналов управления амплитудой сканирования, блока .9.формирования сигнала управления амплитудой сканирования и устройства 10 управления сканированием, выходной сигнал которого через усилитель 12 мощнос- :ти подается на сканирующую систему монохроматора 1. При измерении спектральной линии-цезия на длине волны 682,4 нм к моменту времени 3с предложенное устройство обеспечивает погрешности определения величины максимума интенсивности 2% и определенная: полуширины контура спектральной линии менее 1%, в то время как анало- гичнью погрешности известного устройства с неизменной настройкой параметров сканирования составляют 50 и 54% соответственно. В случае отсутствия спектральной линии в пределах сканируемого интервала амплитуда сканирования в предложенном устройстве устанавливается максимальной, 3 з,п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к спектральному оптическому приборостроению и предназначено для оптической диагностики быстропротекаюадих процессов по параметрам контуров спектральных линий. Цель изобретения - повышение точности измерения. Сущность изобретения в автоматической регули ровке амплитуды и среднего положения колебаний сканирующего зеркала монохро- матора 1, соответствующих ширине ре

1

Изобретение относится к спектральному оптическому приборостроению и предназначено для оптической диагностики быстропротекающих процессов по параметрам контуров спектральных линий.

Цель изобретения - повьшение точности измерения.

На фиг,1 приведена схема спектрометра; на фиг.2 - 6-временные диаг- раммы его работы; на фиг.7 и 8 - истинный и измеренные контуры спектральной линии.

Спектрометр содержит монохроматор 1, сканирующее устройство 2 с зеркалом 3 и электромагнитной системой 4, фотопреобразователь 5, блок 6 выделения максим5гма линии, селектор 7 наличия линии, блок 8 коммутации сигналов управления амплитудой сканировав Кия, блок 9 формирования сигнала управления амплитудой сканирования, устройство 10 управления сканированием, генератор 11 и усилитель 12 мощности.

Блок 6 выделения максимума линии содержит дифференциатор 13, компаратор 14 с источником 15 опорного на- пряжения, компаратор 16 с источником

17опорного напряжения, компаратор

18с источником 19 опорного напряжения и логический элемент 3 ИЛИ-НЕ 20,

Блок 7 наличия линии вьтолнен на интеграторе 21 и компараторе 22 с источником 23 опорного напряжения.

5

5

5

п

0

БЛОК 8 коммутации сигналов управ- ления амплитудой сканирования содержит логический элемент 24, ключ 25, .источник 26 опорного напряжения, резисторы 27 и 28 и ключ 29. : Блок 9 формирования сигнала управления амплитудой .сканирования содержит запоминающее устройство 30, делитель 31 напряжения, компаратор 32, интегратор 33, сумматор 34 и источник 35 опорного напряжения.

Устройство 10 управления сканирова- нием содержит интегрирующую цепь 36, аттенюатор 37, запоминающее устройство 38 и сумматор 39,

На фиг,6 и 7 обозначены: 40 - истинный контур спектральной линии; 41 - контур спектральной линии, зарегистрированный предлагаемым устройством; 42 - контур спектральной линии, зарегистрированный известным устройством.

Спектрометр обеспечивает выполнение своей функции, а именно автоматическую настройку на центр спектральной линии и выбор оптимального диапазона сканирования в два этапа. На первом этапе на сканирующее устройство 2 подается постоянная составляющая напряжения для совмещения середины сканируемого интервала с центром регистрируемой линии, а на втором этапе устанавливается величина амплитуды переменного напряжения, подаваемого на

привод, для приведения ширины скани- руемого интервала длин волн в соответствие с шириной регистрируемой линии.

Спектрометр работает следующим образом.

При отсутствии спектральной линии на входе спектрометра на выходе блока 6 имеется постоянный уровень и селектор 7 не срабатьшает, т.е. на первом входе блока 3 сигнал отсутствует и аналоговый ключ 29 закрыт. Так как на входе инвертора 24 сигнала нет, то на его выходе действует высокий уровень вьгходного сигнала - 1, открывающая аналоговый кгаоч 25. При этом выходное напряжение источника 26 через резистор 27 поступает на управляющий (первый) вход блока 10. Частота генератора 11 не зависит от наличия или отсутствия на входе спектральной линии, а постоянная времени интегрирующей цепи 36 выбирается примерно на порядок больше времени развертки одного спектра, поэтому на выходе блока 10 устанавливается сигнал, определяющий наибольший диапазон развертки спектра в виде управляющего напряжения на сканирующее устройство 2. Электромагнитная система 4 приводит в колебательное движение зеркало 3 вокруг его вертикальной оси, т.е. осуществляется развертка спектра с аммплитудой, задаваемой источником 26.

При появлении в контролируемом участке спектра линии фотопреобразователь 5 с предварительным усилителем прео бразует излучение, поступающее на его чувствительный элемент из выходной щели монохроматора 1 в электрический сигнал, .пропорциональный интенсивности этого излучения.

Блок 6 выделения максимума спектральной линии обеспечивает выработку нормированного по амплитуде и длительности фронтов импульса, соответствующего центру регистрируемой линии. Входной сигнал фотопреобразователя 5 положительной полярности поступает на инвертирующий вход компаратора 18, на иеинвертирующий вход которого подается опорное напряжение порога срабатывания с источника 19. Этот же входной сигнал подается через дифференциатор 13 на инвертирующий вход компаратора 16, на неин7688

вертнр тош. нход которого поступяет опорное напряжение порога срабатьша- ния с источника 17, а также на неин- верткрующий вход компаратора 14, на инвертирующий вход которого поступает опорное напряжение порога сра- батьшания с потенциометра 15, Выходные сигналы компараторов 14, 16 и

Q 18 поступают на входы логического элемента 3 ИЛИ-НЕ 20, и при наличии линии в спектре изл :ения на выходе этого элемента возникает импульс положительной полярности. Диаграмма

5 работы блока 6 показана на фиг.2.

Селектор 7 наличия линии вырабатывает сигнал управления при появлении на его входе и шyльca с вьжода блока 6, При этом входной импульс заряQ жает конденсатор, подключенный к неинвертирующему входу интегратора 21, выходной сигнал которого поступает на неинвертирующий вход компаратора 22. На инвертирующий вход компарато5 ра 22 с источника 23 подается положительное напряжение порога срабатывания. Напряжение порога срабатьша- ния выбирается таким, чтобы при поступлении сигнала с выхода блока 6 на

0 вход селектора 7 наличия линии на выходе компаратора 22 поддерживался высокий уровень выходного сигнала в течение двух периодов сканирования (прямого и обратного спектров),Диаг- рамма работы селектора 7 приведена на фиг.3.

При поступлении с выхода блока 7 напряжения высокого уровня вследствие появления в спектре линии на выходе

Q инвертора 24 устанавливается напряжение О и аналоговый ключ 25 закрывается, а аналоговый ключ 29 открывается, и выходное напряжение блоха 9 через резистор 28 подается Н(

g первый управляющий вход блока 10. Одновременно с работой селектора 7 по сигналу с блок-а 6 блок 9 формирования сигнала управления амплитудой сканирования вырабатьшает сигнал упQ равления шириной сканируемого спектрального интервала: на управляющий вход входного аналогового ключа аналогового запоминающего устройства 30 приходит импульс, синхронизированс ный по времени с моментом развертки на выходной щели монохроматора 1 центра линии, и максимальное значение сигнала спектральной линии запоминается аналоговым запоминающим устройством

30, Выходное напряи ение аналогового запоминающего устройства 30 поступает на делитель 31 и часть его (например, в данном устройстве О,1 от максимального) .попадает на инвертирующий вход компаратора 32. На неинвер- тируюпдай вход компаратора-32 поступает гзыходное напряжение фотопреобразователя 5, и на выходе компаратора 32 возникает импульсный сигнал нормированной амплитуды, причем скважность импульсов пропорциональна отно ше нию периода сканирования к времени превышения сигналом фотоприемника задан- 15 вызьшая постоянное смещение подвижного уровня (в данном случае 0,1 от , максимальной амплитуды линии в спектре). Сигнал с выхода компаратора 32 ,через интегратор 33 поступает на вычитающий вход разностного сумматора 34, на суммирзпощий вход которого подается напряжение с источника 35. Таким образом, при появлении линии- выходное напряжение разностного сумма- тора 34 уменьшается пропорционально отношению ширины интервала сканирования к пгирине спектральной линии (например, по уровню 0,1).

Если При отсутствии в спектре линой части электромагнитной системы 4 и соответственно зеркала 3 до совпадения центра диапазона сканирования с центром спектральной линии. Времен

20 ные диаграммы работы блока .9, генера тора 11 и устройства 10 приведены на фиг.4, 5 и б, для двух вариантов смещения на центр линии. Таким образом обеспечивается оперативная авто25 матическая коррекция границ сканируе мого спектрального диапазона в соответствии с параметрами контура регистрируемой спектральной линии с од новременной настройкой середины ска25 матическая коррекция границ сканируе мого спектрального диапазона в соответствии с параметрами контура регистрируемой спектральной линии с од новременной настройкой середины скати сканирующее устройство 2 осущест- ЗО нируемого интервала на центр линии, вляет колебательные движения с макси- известном устройстмальной амплитудой колебания, величиве Границы сканируемого интервала ус танавливаются оператором перед работой и .затем остаются неизменными,что

на которой задается источником 26 блока 8, выходное напряжение которого поступает на управляющий вход аттенюатора 37 и однозначно устанавливает переменн-5Ж) составляющую выходного напряжения блока 10, то при появлении в спектре линии выходное напряжение блока 9 через блок 8 и интегрирующую цепь 36 подается на управляющий вход управляемого аттенюатора 37, который, в свою очередь, уменьшает напрлх ение, подаваемое на

Полуширина указанной линии одно значно связана с концентрацией сво

второй вход сумматора 39, пропорцио- 45 „ых электронов. Измеряя концентранально величине сигнала с выхода блока 9, т.е. пропорционально отношению ширины линии на заданном уровне 0,1 к ширине сканируемого интервала в данный момент времени. При этом диапазон сканирования монохроматора уменьшается до требуемой величины.

Устройство 10 управления сканированием выполняет функцию выработки сигнала управления, обеспечивающего подстройку центра диапазона сканирования на центр спектральной линии и установление оптимальной ширины сканируемого интервала. Подстрой1 а цент50

цию свободных электронов независим Методом (микроволновым методом по сдвигу фазы электромаг нитного излу ния цианового лазера, с помощью ф мулы

лл 2-10- Ne CI+AN CI-BN;

т 55

где cJ,A,B - константы спектральной

линии;

Т - температура пламени, была рассчитана фактическая величи полуширины спектральной линии Cs Д 682,4 нм. В .срапневии с этими зн

ра диапазона скатшрования на центр линии осуществляется путем запоминания аналоговым запоминающим устройством 38 мгновенного значения выход- ного напряжения генератора 11, прошедшего через аттенюатор 37 и второй вход сумматора 39, в момент прохождения центра линии и далее, подачи заполненной величины напряжения на первый вход сумматора 39, постоянная составляющая выходного напряжения которого через усилитель 12 мощности поступает на сканирующее устройство,

ной части электромагнитной системы 4 и соответственно зеркала 3 до совпадения центра диапазона сканирования с центром спектральной линии. Временные диаграммы работы блока .9, генератора 11 и устройства 10 приведены на фиг.4, 5 и б, для двух вариантов смещения на центр линии. Таким образом обеспечивается оперативная автоматическая коррекция границ сканируемого спектрального диапазона в соответствии с параметрами контура регистрируемой спектральной линии с одновременной настройкой середины сканируемого интервала на центр линии, известном устройстве Границы сканируемого интервала устанавливаются оператором перед работой и .затем остаются неизменными,что

обеспечивает снижение динамической погрешности.

На фиг.6 и 7 приведены сравнительные данные работы предлагаемого и известного устройств При измерении спектральной линии цезия ,4 нм, полученные к моменту времени измерения .

Полуширина указанной линии однозначно связана с концентрацией свобод„ых электронов. Измеряя концентра

цию свободных электронов независимым Методом (микроволновым методом по сдвигу фазы электромаг нитного излучения цианового лазера, с помощью формулы

лл 2-10- Ne CI+AN CI-BN;

т

где cJ,A,B - константы спектральной

линии;

Т - температура пламени, была рассчитана фактическая величина полуширины спектральной линии Cs Д 682,4 нм. В .срапневии с этими значениями полуширины бьши определены тические погрешности предлагаемого и известного устройств во времени.

Таким образом было получено, что к моменту измерения погрешность определения величины максимальной интенсивности для предлагаемого устройства менее 2%, а для известного 50%, а погрешность определения полуширины контура, обусловленная динамическими искажениями, для предлагаемого устройства составляет менее 1%, и для известного - 54%.

Формула изобретения

деления максимума линии, селектор наличия линии, блок коммутации сигналов управления амплитудой сканирования, блок формирования сигнала управления амплитудой сканирования, устройство управления сканированием, причем вход блока выделения максимума линии соединен с выходом фотопреобразователя , а выход - с входом селектора наличия линии, подключенного 5 входом разностного сумматора, неинвыходом к первому входу блока коммутации сигналов управления амплитудой сканирования, второй вход которого подключен к выходу блока формировадержит интегрирующую цепь, управляемый аттенюатор, запоминающее устройство и сумматор, причем вход интегаривертирующий вход которого соединен- с источником опорного напряжения, а выход является выходом блока.

4, Спектрометр ПО-П,1, о т л и - кия сигнала управления амплитудой ска-40 чающийся тем, что в нем уст- нирования, информационный вход кото- управления сканированием со- рого подключен к выходу фотопреобразователя, а управляющий вход - к выходу блока выделения максимума линии и второму управляющему входу уст- 45 РУЮ Дей цепи является первым входом ройства управления сканированием, устройства, а выход соединен с управ- первый управляющий вход которого под- ляющим входом управляемого аттенюа- ключен к выходу блока коммутации сиг- тора, информационный вход которого налов управления амплитудой сканиро- является информационным входом уст- вания, информационный вход - к вы- 50 ройства, а выход соединен с вторым

входом сумматора, первый вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход является выходом устройства и соединен с инфорчающийся тем, что в нем блок 55 мационным входом запоминающего устрой выделения максимума линии содержит ства, управляющий вход которого ЯБЛЯ- дифференциатор, первый компаратор - ется вторым входом устройства.

ходу генератора, а выход через усилитель мощности - к электрическому входу устройства сканирования.

которого соединен с неинвертирующим входом первого ко шаратора и с ин- вертир- тащим входом второго компаратора, выходы компараторов соединены с соответствующими входами логического

элемента 3 ЮТ1-НЕ, выход которого является выходом блока.

устройства является управляющим вхо- , дом блока, а выход через делитель напряжения соединен с инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий 30 вход которого соединен с информационным входом запоминающего устройства и является инфор мационным входом бло- ;ка, а выход через неинвертирующий интегратор соединен с инвертирующим

держит интегрирующую цепь, управляемый аттенюатор, запоминающее устройство и сумматор, причем вход интегари4, Спектрометр ПО-П,1, о т л и - чающийся тем, что в нем уст- управления сканированием со- РУЮ Дей цепи является первым входом устройства, а выход соединен с управ- ляющим входом управляемого аттенюа- тора, информационный вход которого является информационным входом уст- ройства, а выход соединен с вторым

и

i

д

Фаг.2

Фиг.:

Угм-поЛуюта cKHMMuatifto

aeVHMUlA tt (тЛв

€-V.X

Угм efteutefnt f HoanpooKf iftHinp линии

3x. 4 /

./ V

t

/Л

y y

A A A

i 1 I

Л

/

X

.J

«л/

поЬмота .,v / оеанипинямю yX / устройства

Л

x

ttut fMeeftHSX

Ч/ HQempolficf ttfftmp jn/M/

y

Фиг. S .

о. о

О

о

@

0.25

.

&82. /f, f

6ВО.О

Составитель А.Гусев Редактор А.Лежнина Техред А.Кравчук Корректор М.Демчик

Заказ 5882/40

Тираж 499

БПИИПИ Государственного комитета СССР

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

,f/M

Подписное