Фотометр Советский патент 1988 года по МПК G01J1/44 

выборки 11, буферным усилителем 12, резисторами 13, 14 и конденсаторами 15, 16, а также регистрирующее устройство 17. Ключи А, 8, 11, 18, 19, 20 соединены через кинематические связи с обтюратором 1, В первой половине цикла модуляции обтюратор 1 пропускает световой поток, а на интегра4Д4622

тор 9 поступает неинвертированный сигнал..В интервале времени прерывания светового потока организованы два равных такта с взаимно обратными коэффициентами инвертирования входного сигнала интегратора 9. Этим обеспечивается более точная компенсация аддитивных помех. 2 шт., 1 табл.

Изобретение относится к электрическим схемам фотометров и может быть использовано для спектральных и количественных фотометрических измерений малых световых потоков. Цель изобретения - повышение точности измерений пороговых сигналов. Фотометр содержит обтюратор 1, фотоприемник 2, измерительный усилитель 3, операционный усилитель 5, к инверсному входу которого подсоединены два объединенных общим шиводом резистора 6 и 7 одного номинала, интегратор 9 с запоминающей обратной связью, образованный интегрирующим усилителем 10, ключом

1

Изобретение относится.к фотометрии и может быть использовано для спектральных и энергетических измерений малых световых потоков.

Цель изобретения повышение точности измерений пороговых сигналов.

На фиг.1 приведена схема фотометра на фиг.2 - диск обтюратора.

Фотометр содержит установленный за обтюратором 1 фотоприемник 2, подключенный через измерительный усилитель 3 к коммутирующему входу первого ключа 4, операционный усилитель 5, к инверсному входу которого подсоединены два объединенных общим выводом резистора 6 и 7 одного номинала, а выход через второй ключ 8 соединен с входом интегратора 9 с запоминающей обратной связью, образованного интегри- рующим усилителем 10, ключом 11 выборки, буферным усилителем 12, резисторами 13 и 14 и конденсаторами 15 и 16.

Выход интегратора 9 соединен с входом регистрирующего устройства 17. Управляющие входы второго ключа 8 и ключа 11 выборки интегратора 9 через первую и вторую кинематическ ие связи соединены с обтюратором 1.

Фотометр содержит также четвертый 18, пятый 19 и шестой 20 ключи, причем коммутирующий вход четвертого ключа 18 соединен с выходом измерительного усилителя 3, выходы первого 4 и четвертого 18 ключей подсоединены к выводам соответственно первого 6 и второго 7 резисторов и через соответственно пятый 19 и шестой 20 ключи к входу интегратора 9, а управляющие входы первого 4 и шестого 20, четвертого 18 и пятого 19 ключей попарно объединены и через третью и четвертую кинематические связи соединены с обтюратором 1. Обтюратор может быть выполнен электромеханическим с модулирующим диском (позицией 21 на фиг.2 обозначена щель для модуляции измеряемого светового потока Ризм )

Кинематические связи, обеспечивающие преобразование угла поворота обтюратора в управляющие сигналы для ключей, можно выполнить с помощью щелей и оптопар: щель 22 - для управления ключом 8, щель 23 - дпя управления ключами 4 и 20; щель 24 - для управления ключами 18 и 19; прорезь 25- для управления ключом 11 выборки.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии обтюратор 1 прерывает измеряемый световой поток „. , ключи 8, 18 и 19 замкнуты, а ключи 4, 11 и 20 разомкнуты. С выхода интегратора 9 на вход регистрирующего устройства 17 передается напряжение, хранящееся на конденсаторе 16.

В интервале времени О, Т/2, где Т - период модуляции светового потока обтюратора 1, измеряемый световой поток P.jj поступает на фотоприемник 2. В этом интервале ключи 4, 18-20 замкнуты, а ключ 8 разомкнут управляющими сигналами от обтюратора 1 через соответствующие кинематические связи. Электрический сигнал с выхода фотоприемника 2, имеющий паразитную аддитивную составляюпогю в виде темнового тока, усиливается измерительным усилителем 3 и через замкнутые ключи 4, 18-20 поступает непосредственно на вход интегратора 9 с запоминающей обратной связью. При этом аддитивная паразитная составляющая сигнала на входе интегратора 9 определяется тем- новым током фотоприемника 2, внешней наводкой на кабель между фотоприемником 2 и усилителем 3, а также смещением нуля собственно усилителя 3. Конденсатор 15 в обратной связи интегрирующего усилителя 10 заряжен под влиянием разности токов, обусловленных входным сигналом интегратора 9 (через резистор 13) и сигналом с конденсатора 16 (через буферный усилитель 12 и резистор 14).

В интервале времени T/2J Т обтюратор 1 прерывает измеряемый световой поток Ключи 4, 8, 18-20 управляются обтюратором 1 через соответствующие кинематические связи так, что в интервале времени T/2J 3/ 4Т ключи 4, 8 и 20 замкнуты, а ключи 18 и 19 разомкнуты. Напряжение с выхода измерительного усилителя 3 через замкнутый ключ 4 и резистор 6 -поступает на инверсный вход операционного усилителя 5.

Напряжение с выхода операционного усилителя 5 через замкнутый ключ 8 поступает на вход интегратора 9, а также через замкнутый ключ 20 и резистор 7 на инверсный вход операционного усилителя 5. Таким образом, one- 35 приведены в таблице, где 3 обозначает рационный усилитель 5 совместно с ре- замкнутое состояние ключа, а Р - ра- зисторами 6 и 7 на данном интервале 1 зомкнутое. времени (Т/2; 3/4 Т) обеспечивает инвертирование выходного напряжения измерительного усилителя 3. При этом резистор 6 включен между вйходом измерительного усилителя 3 и входом операционного усилителя 5, а резистор 7 - между входом и выходом операционного усилителя 5.

В интервале времени 3/4Т; Т ключи 8, 18 и 19 замкнуты, а ключи 4 и 20 разомкнуты под воздействием управляющих . сигналов от обтюратора 1 через кинематические связи. Напряжение с выхода измерительного усилителя 3 через замкнутый ключ 18 и резистор 7 поступает на инверсный вход операционного усилителя 5. Напряжение с выхода операционного усилителя 5 через замкнутый ключ 8 поступает на вход интегратора 9, а также через замкнутый ключ 19 и резистор 6 на инверсный вход операционного усилителя 5.

50

55

При выполнении условия Т фаза замыкания ключа 11 на результат не влияет.

В основу построения устройства положен принцип аналоговой компенсахщи влияния аддитивной помехи на результат измерения с двухтактным формиро-. ванием интегрального компенсирующего сигнала на основе интегрируемого напряжения в темновой паузе в процессе

44622

Таким образом, операционный усилитель 5 совместно с резисторами 6 и 7 на данном интервале времени (3/4 Т{ Т) обеспечивает инвертирование выходного напряжения измерительного усилителя 3. При этом резистор 7 включен между выходом измерительного усилителя 3 и входом операционного усилителя 5, а

10 резистор 6 - между входом и выходом операционного усилителя 5.

Выборка результатов интегрирования выполняется один раз в периоде замыканием на время t Т ключа 1 1 по уп15 равляющему сигналу от обтюратора 1 через кинематическую связь. При этом напряжение, хранящееся на конденсаторе 16, через буферный усилитель 12 передается на регистрирующее устрой20 ство 17, а также через резистор 14 на вход интегрирующего усилителя 10.

В последующие периоды (КГ; (К+1) Т) модуляции обтюратором 1 светового потока цд процесс работы устройства

25 повторяется. Здесь К 1, 2, 3... Величина выходного напряжения, регистрируемого устройством 17, в установившемся режиме представляет собой среднее за период модуляции значение

30 напряжения на входе интегратора 9 с запоминающей обратной связью.

Состояния ключей, однозначно задаваемых обтюратором, по интервалам времени в течение периода модуляции Т

50

55

При выполнении условия Т фаза замыкания ключа 11 на результат не влияет.

В основу построения устройства положен принцип аналоговой компенсахщи влияния аддитивной помехи на результат измерения с двухтактным формиро-. ванием интегрального компенсирующего сигнала на основе интегрируемого напряжения в темновой паузе в процессе

5144А622

быстрого идентичного усреднения сигналов при чередовании в указанных равных тактах коэффициентов инвертирования в виде двух взаимно обратных величин, что достигается посредством коммутации входных и выходных цепей операционного усилителя на входе интегратора с запоминающей обратной связью, благодаря чему эквивалентный ко- Q определяется вьфажением эффициент инвертирования среднего значения сигнала в темновой паузе реализуется существенно более близким к единичному значению, чем коэффициенты инвертирования в каждом из так- 15 тов.

напряжением смещения нул усилителя 3.

В интервале времени Т на выходе фотоприемника

В интервале Т/2; 3/4 передачи операционного у резисторами 6 и 7 во вхо цепи обратной связи соот

где R

6

RT Rj R/

При

значения со резисторов ветственно этом напряжение

В интервале времени 0; Т/,2 сигнал на выходе фотоприемника 21, i + + L, где ij. - ток фотоприемника 2, соответствующий измерительному световому потоку Р„5ц, , IT - темновой ток фотоприемника 2.

На входе интегратора 9 действует напряжение U4 K(ic + i) + U + U где К - коэффициент передачи измерительного усилителя 3; U - паразитна составляющая напряжения на выходе измерительного усилителя 3, определяемая внешней наводкой на кабель между фотоприемником 2 и усилителем 3J U, паразитная составляющая напряжения на выходе усилителя 3, определяемая

Tit тт

, U,,dt + i J

и

вых

314 г

м

т/2

lju....|j

, оTJ

J, (Ki + и.

змт

т

т/2

+ Uo)dt + J J

Я4Т

Допуская, что в интервалах времени о; Т/2, Т/2; 3/4Т, 3/4Т , Т средние

Д

т J irdt

4 Г

J .

Д й%

J и„

dt

и обозначив также

ir

IJ bd.

получим

определяется вьфажением

напряжением смещения нуля собственно усилителя 3.

В интервале времени Т/2; Т сигнал на выходе фотоприемника 2 i, bf.

В интервале Т/2; 3/4 Т коэффициент передачи операционного усилителя 5 с резисторами 6 и 7 во входной цепи и цепи обратной связи соответственно

вьфажением

Rj R/

значения сопротивлений резисторов 6 и 7 соответственно, апряжение на входе ин2030

25 тегратора 9 U-, J(Ki-r + U + U,). В интервале времени 3/4 TJ Т коэффициент передачи операционного усилителя 5 с резисторами 6 и 7 в цепи обратной связи и во входной цепи соответственно определяется подобно тому, как в интервале Т/2; 3/4 Т с учетом произведенной коммутации резисторов 6 и 7:

-,В интервале 3/4 Т; Т входе интегратора 9 U

напряжение на

7г

+

,,dt

+ U + Uo).

Выходное напряжение интегратора 9, регистрируемое устройством 17, в установившемся режиме определяется выражением

т|г - J К(1, + i,)+U,+ujdt +

значения i, U, U, величин i и DO не меняются, а именно

-Y

и.

к - 1 УВЫХ 2 ic + +

---|---) (кГ. и, й„).

Таким образом, результат измерения в предлагаемом устройстве зависит от полусуммы реальных значений коэффициентов передачи J, и J, Абсолютная величина погрешности измерения связана с отклонением указанной полусуммы от идельной величины (-1), аддитивно входит в результат измерения и

составляет Ли. 1(1 .

10

J2

)(кГ

UK и„)

R + ДКт

-(1

+ .)

R + ДКб

R + .

R +&R ; R + uR,

+

бых 2

Статическая погрешность реального единичного инвертора практически зависит как от допуска резисторов цепей 15 где ЛR, &R - абсолютные отклонения прямой и обратной связи, так и от конечного значения коэффициента усиления операционного усилителя.

от номинала R резисто ров 6 и 7.

Максимальные отклонения реальных коэффициентов передачи J ( и J от идеального значения (-1) в случае од- .нотипньк резисторов 6 и 7 имеют место при максимальных по модулю и противоположных по знаку отклонениях значений сопротивлений резисторов от номинала, т.е. пpи|дR( I LR-jl AR и ARg . Э этом случае

Достигнутый уровень микросхемо- техники обеспечивает высокие значения коэффициентов усиления типовых операционных усилителей. В то же время резисторы широкого применения не удовлетворяют условию метрологической совместимости при работе с типовыми операционными усилителями. Так, операционный усилитель обычно вносит в схему единичного инвертора погрешность, оцениваемую тысячными долями процента, а погрешность, вносимая резисторами широкого применения, может гарантироваться в пределах десятых долей и единиц процентов. Обеспечение меньшей гарантированной погрешности, вносимой резисторами, путемf. улучшения их метрологических характеристик связано с существенными потерями в технологичности, надежности, стоимости, общедоступности и ухудшает ряд других показателей, например, весо- габаритные, климатические и т.п.

А.. 1 -2гЛк

Ч , - ( и, и,);

или, окончательно:

Л.ивь,х - Г- Щ) о Формула изобретения

Фотометр, содержащий последовательно расположенные обтюратор и фотоприемник, а также измерительный усилитель, операционный усилитель.

Таким образом, в случае применения непрецизионнЫх резисторов 6 и 7 статическая погрешность коэффициентов J, Jj практически полностью определяется допусками указанных резисторов.

Выражения для единичного инвертора могут быть представлены в виде

10

R + ДКт

-(1

+ .) .

R + ДКб

R + .

R +&R ; R + uR,

ЛR, &R - абсолютные отклонения

где ЛR, &R - абсолютные отклонения

от номинала R резисторов 6 и 7.

Максимальные отклонения реальных коэффициентов передачи J ( и J от идеального значения (-1) в случае од- .нотипньк резисторов 6 и 7 имеют место при максимальных по модулю и противоположных по знаку отклонениях значений сопротивлений резисторов от номинала, т.е. пpи|дR( I LR-jl AR и ARg . Э этом случае

J. -(1 2&.R

);

-(1

24R)

R - ikR &R

или с учетом SR , где S R - доК

пуск резисторов 6 и 7

-(-2т4тк

J, -(1 +

9 R

Подставляя J и Jj в выражение для получают

(Ki + и.. + Uo)

первый, второй и третий электронные ключи, первый и второй резисторы одного номинала, интегратор с запоминающей обратной связью и регистрирующее устройство, при этом фотоприемник соединен с измерительным усилителем, вьосод которого через первый резистор соединен с инверсным входом операционного усилителя и паралллель- но через первый электронный ключ с

входом интегратора, включающего третий электронный ключ, первый контакт второго резистора соединен с инверсным входом операционного усилителя, выход которого через второй электронный ключ соединен с входом интегратора, выход которого соединен с регистрирующим устройством, при этом управляющие входы первого, второго и третьего электронных ключей через кинематические связи соединены с обтюратором, отличающий с-я тем, что, с целью повьшения точности измерений пороговых сигналов, в фотометр введены четвертый, пятый и шестой электронные ключи, причем четвертый

21

ключ подсоединен первым контактом к измерительному усилителю, а вторым - к первому резистору, первый контакт пятого электронного ключа соединен с вторым контактом второго резистора, второй контакт пятого электронного ключа соединен с входом интегратора, второй контакт четвертого электронного ключа соединен с первым контактом шестого электронного ключа, второй контакт которого соединен с входом интегратора, а управляющие входы пер- ого и шестого, четвертого и пятого электронных ключей попарно объединены и через дополнительные кинематические связи соединены с обтюратором.

2it

22