Спектрофотометр Советский патент 1989 года по МПК G01J3/42 

ел

о

X)

U9

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к спектрофотометрии, и может быть использовано для измерения спектральных коэффициентов пропускания различных веществ.

Цель изобретения - повышение точности фотометрических измерений и расширение динамического диапазона устройства.

На фиг. 1 изображена схема устройства; на фиг. 2 - схема приемно- усилительного блока.

Спектрофотометр состоит из источника 1 излучения, монохроматора 2 со сканирующим устройством, набора 3 селективных светофильтров для устранения высших порядков дифракции и уменьшения уровня мешающего излучения с механизмом смены селективных светофильтров, набора 4 нейтральных ослабителей для ослабления потока излучения, поступающего на фотоприемник, светоделителя 5 для разделения потока на два, кюветного отделения 6, приемно-усилительного блока 7, устройства 8 обработки данных, устройства 9 индикации, схемы сравнения, содержащей два компаратора 10 и 11, источника опорных напряжений 12, схем И 13 и 14, сервопривода 15, датчика 16 нейтральных ослабителей, схемы И 17. Приемно-усилительный бло (фиг. 2) включает фотоприемник 18, усилитель 19, синхронный переключатель 20 и регулятор 21 усиления, содержащий, генератор 22 импульсов, схемы И 23 и 24, реверсивный счетчик 25, цифроаналоговый преобразователь 26 и резистор 27. Выходы 28 и 29 светоделителя 5 связаны с входами 30 и 31 приемно-усилительного блока 7. Выходы 32 и 33 приемно-усилительного блока 7 связаны с входами 34 и 35 устройства 8 обработки данных, содержащего цифровое вычислительное устройство с цифроаналоговым преобразователем. Выход устройства 8 обработки данных связан с входом 36 устройства 9 индикагщи.

Выход 32 приемно-усилительного блока 7 также связан с входом 37 компаратора 10 и входом 38 компаратора 11. Входы 39 компараторов 10 и 11 связаны с выходами 40 и 41 источника 12 опорных напряжений U и U. Выход компаратора 10 соединен с входом 42 приемно-усилительного блока 7 и

входом 43 ячейки И 13. Выход компаратора 11 соединен с входом 44 ячейки И 14 и входом 45 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей.

С осью сервопривода 15 механически связан датчик 16 нейтральных ослабителей. Выход 46 датчика 16, соответствующий сигналу установки осQ лабителя из набора 4 с наименьшим значением коэффициента ослабления, соединен с входом 47 ячейки И 14. Выход ячейки И 14 соединен с входом 48 приемно-усилительного блока 7.

Выход 49 приемно-усилительного блока 7 соединен с входом 50 ячейки И 13. Выход 51 приемно-усилительного блока 7 соединен с входом 52 блока 9 индикации. Выход ячейки И 13 соединен

Q с входом 53 сервопривода 15 и входом 54 ячейки И 17. Выход 55 датчика 16, соответствующий сигналу установки ослабителя из набора 4 с наибольшим значением коэффициента ослабления,

5 соединен с входом 56 ячейки 17. Выход ячейки И 17 связан с входом 57 блока 9 индикации.

Схема приемно-усилительного блока (ПУБ) показана на фиг. 2.

Q Выход фотоприемника 18 связан с -входом 58 усилителя 19 и через резистор 27 с выходом 59 ДАЛ 26. Выход усилителя 19. соединен с входом 60 ЦАП 26 и входами 61 и 62 синхронного переключателя 20.

Входы 30 и 31 ПУБ 7 соединены с входами 63 и 64 синхронного переключателя 20 (фиг. 2). Выходы 65 и 66 синхронного переключателя 20 соеди- (

д нены с выходами 32 и 33 ПУБ 7 (фиг. 1). Вход 42 ПУБ 7 соединен с входом 67 ячейки И 23 регулятора 21 усиления (фиг. 2). Вход 48 ПУБ 7 (фиг. 1) соединен с входом 68 ячейки И 24 регуляс тора 21 усиления (фиг. 2). Выход генератора 22 регулятора 21 усиления соединен с входами 69 ячеек И 23 и 24. Выход ячейки И 23 соединен с входом 70 реверсивного двоичного счетчика 25. Выход Ячейки И 24 соединен с входом 71 реверсивного двоичного счетчика 25. Информационные выходы реверсивного двоичного счетчика 25 соединены с информационными входами ЦАП 26. Выход 72 реверсивного двоичного счет чика 25 соединен с выходами 49 ПУБ 7 (фиг. 1). Выход 73 реверсивного двоичного счетчика 25 (фиг. 2) соединен с выходом 51 ПУБ 7 (фиг. 1).

5

0

(лтектрофотометр работает с:педую1цим образом.

Поток излучения от осветителя 1 поступает на вход монохроматора 2. После монохроматора поток поступает на один из селективных светофильтров набора 3, обеспечивающих устранение высших порядков дифракции и

вход 70 реверсивного двоичного счетчика 25. При этом код на его выходах увеличивается и поступает на входы цифроаналогового преобразователя 26, увеличивая коэффициент деления выходного напряжения усилителя 19, поступающего через резистор 27 на его вход в виде отрицательной обратной

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к спектрофотометрии, и может быть использовано для измерения спектральных коэффициентов пропускания веществ. Цель изобретения - повышение точности фотометрических измерений и расширение динамического диапазона устройства. Спектрофотометр содержит источник 1 излучения, монохроматор 2, набор селективных светофильтров 3, набор нейтральных ослабителей 4, светоделитель 5, кюветное отделение 6, приемно-усилительный блок 7, устройство 8 обработки данных, устройство 9 индикации, схему сравнения. Схема сравнения включает компараторы 10 и 11. Имеются также источник 12 опорных напряжений, схемы И 13 и 14, сервопривод 15, датчик 16 нейтральных ослабителей, схема И 17. Приемно-усилительный блок 7 содержит фотоприемник, усилитель, синхронный переключатель, регулятор усиления, содержащий генератор импульсов, две схемы И, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь. 2 ил.

уменьшение уровня мешающего излучения JQ связи, что приводит к уменьшению ко- и далее на один из нейтральных осла- - бителей набора 4, ослабляющих поток излучения и вводимых в поток сервоприводом 13. После нейтрального ослабителя поток поступает в светоде- 5 литель 5 и разделяется на два потока С и Р, где С - поток канала сравнения, Р - поток рабочего канала. Оба потока проходят кюветное отделение 6 и поступают в ПУБ 7. На выходе последнего 20 формируются два электрических сигнала, один из них пропорционален потоку излучения в канале сравнения - U, вторрй пропорционален потоку в рабочем канале Up, Оба сигнала поступают 25 на устройство обработки данных (УОД) 8, содержащее цифровое вычислительное устройство с аналогово-цифровым преобразователем. Затем информация поступает в устройство 9 индикации, где отображается и документируется.

Для вьфавнивания сигнала в канале сравнения при сканировании по спектру электрический сигнал, соответствующий каналу сравнения, с выхода 32 ПУБ поступает на компараторы 10 и 11. В компараторе 10 сигнал сравнивается со стабилизированным напряжением источника 12 опорного напряжения, соответствующим наибольшему допустимому значению сигнала канала сравнения.

В компараторе 11 сигнал сравнивается со стабилизированным напряжением

30

35

40

эффициента усиления усилителя 19. В итоге уменьшается сигнал, поступающи на вход синхронного переключателя 20 Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение Up и,. Если система достигла минимального коэффициента усиления, а со отношение Up U( сохраняется, то на выходе 72 реверсивного двоичного счетчика 25 формируется сигнал его переполнения, который поступает на выход 49 ПУБ 7 (фиг. 1) и далее на вход 50 ячейки И 13. На вход ячейки И 13 будет поступать сигнал с выхода компаратора 10. С выхода ячейки И 13 сигнал поступает на управляющий вход 53 сервопривода 15 набора 4 нейтраль ных ослабителей и на вход 54 ячейки И 17. Сервопривод 15 вводит в поток излучения более плотные нейтральные ослабители из набора 4, уменьшая его до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение U - U. Если введен в поток излучения наиболее плотный ослабитель из набора 4, а условие Uj и не выполнено, с выхода 55 датчика 16 сигнал поступает на вход 56 ячейки И 17 и с ее выхода на вход 57 устройства 9 индикации, информируя о том, что поток излучения превьш1ает допустимый уровень, и приемно-регистриру- ющая система вышла за верхний предел линейного участка амплитудной характеристики. Если уровень Uj. Ug, то на выходе компаратора 11 формируется напряжение, поступающее на вход 44 ячейки И 14 и на вход 45 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей. При этом сервопривод 15 вводит в поток излучения менее плотные ослабители из набора 4, увеличивая его до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение U, р. U.

U.2 источника 12 опорного напряжения, соответствующим наименьшему допусти- мому значению сигнала канала сравнения Разница между U, и U определяется границами допустимых изменений сигнала сравнения. Если уровень сигнала и., превышает U|,TO на выходе компаратора 10 формируется напряжение, поступающее на вход 42 ПУБ 7 и на вход 43 ячейки И 13. С входа 42 ПУБ 7 (фиг. 2) сигнал поступает на вход 67 ячейки И 23, выполняющей роль ключа, который в этом случае пропускает импульсы генератора 22, поступающие на вход 69 ячейки И 29, на суммирующий

Q связи, что приводит к уменьшению ко- 5 0 5

0

5

0

5

0

5

эффициента усиления усилителя 19. В итоге уменьшается сигнал, поступающий на вход синхронного переключателя 20. Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение Up и,. Если система достигла минимального коэффициента усиления, а соотношение Up U( сохраняется, то на выходе 72 реверсивного двоичного счетчика 25 формируется сигнал его переполнения, который поступает на выход 49 ПУБ 7 (фиг. 1) и далее на вход 50 ячейки И 13. На вход ячейки И 13 будет поступать сигнал с выхода компаратора 10. С выхода ячейки И 13 сигнал поступает на управляющий вход 53 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей и на вход 54 ячейки И 17. Сервопривод 15 вводит в поток излучения более плотные нейтральные ослабители из набора 4, уменьшая его до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение U - U. Если введен в поток излучения наиболее плотный ослабитель из набора 4, а условие Uj и не выполнено, с выхода 55 датчика 16 сигнал поступает на вход 56 ячейки И 17 и с ее выхода на вход 57 устройства 9 индикации, информируя о том, что поток излучения превьш1ает допустимый уровень, и приемно-регистриру- ющая система вышла за верхний предел линейного участка амплитудной характеристики. Если уровень Uj. Ug, то на выходе компаратора 11 формируется напряжение, поступающее на вход 44 ячейки И 14 и на вход 45 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей. При этом сервопривод 15 вводит в поток излучения менее плотные осла- бители из набора 4, увеличивая его до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение U, р. U.

При введении наименее плотного ослабителя на выходе 46 датчика 16 формируется сигнал, поступающий на вход 47 ячейки И 14. Если в этом случае соотношение Uf Ug не выполняется, и на вход 44 ячейки И 14 поступает сиг10

20

наг с компаратора 11, то с выхода И 14 сигнал поступает на вход 48 ПУБ 7. С входа 48 ПУБ 7 (фиг. 2) СНГ-нал поступает на вход 68 ячейки И 24, вьтолняющей роль ключа, который в этом случае пропускает импульсы генератора 22, поступающие на вход 69 И 24, на вычитающий вход 71 реперсивного двоичного счетчика 25, При этом код на его выходах уменьшается и поступает на входы цифроанало- гового преобразователя 26, уменьшая ко;|ффициент деления выходного напряжения усилителя 19, поступающего че- с pe;t резистор 27 на его вход в виде отрицательной обратной связи, что приводит к увеличению коэффициента усиления усилителя 19. В итоге увеличивается сигнал, поступающий на вход синхронного переключателя 20. Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение и иj. Если система достигла наибольшего коэффициента усиления, - а соотношение U. J не выполняется, то на выходе 73 реверсивного двоичного счетчика 25 формируется сигнал нуля, который поступает на выход 51 ПУБ 7 (фиг. 1) и далее на вход 52 устройства 9 индикации, информируя о том, что поток излучения ниже допустимого уровня, при котором отношение сигнал - шум ниже допустимого.

В качестве примера конкретного выполнения рассмотрим, например, УВИ- спектрофотометр.

Осветитель 1 (фиг. 1) представляет собой лампу накаливания со стабилизированным блоком питания; монохрома- тор 2 - щелевой монохроматор, собранный, например, по схеме Фасти набор 3 селективных ослабителей представляет собой турель, в гнездах которой

установлены стеклянные или интерферен15168038

ветствует спектрагтьному кт(}к})иииенту пропускания 100%. Светоделитель 5 может быть реализован на базе вращающегося зеркального модулятора, который с помощью системы зеркал направляет поток попеременно то в рабочий канал кюветного отделения 6, то в канал сравнения кюветного отделения 6, ось зеркального модулятора жестко связана с осью генератора опорных напряжений.

ПУБ 7 может быть реализован на базе следующих элементов согласно фиг. 2: фотоприемник 18 - фотоумножитель или фотодиод; усилитель 19 - операционный усилитель 544УД1; синхронный переключатель ,20 - аналоговые ключи 590Ш5, генератор 22 и ячейки И 23 и 24 - на микросхеме 155ЛАЗ; реверсивный двоичный счетчик 25 - микросхема 155ИЕ7; цифроаналоговый преобразователь 26 - микросхема 572 ПА1.

Устройство 8 обработки данньпк (фиг. 1) - цифровое вычислительное устройство с аналого-цифровым преобразователем. Устройство 9 индикации - цифровое табло или дисплей. Компараторы 10 и 11 - по микросхеме 554САЗ.

Источник 12 опорных напряжений - обычный стабилизированный источник постоянного напряжения.

Ячейки И 13, 14и17-на микросхеме 155ЛАЗ.

Сервопривод 15 включает в себя ша- 5 говый двигатель типа ПЩА-З и блок управления двигателя.

Датчик 16 состоит из двух оптронных пар, диод излучающий - фотодиод из с радиальной прорезью, ось которого связана с осью сервопривода 1 5.

Предлагаемое устройство позволяет исключить ошибку вьфавнивания сигнала эталона из погрешности фотометрии, так как фотометрические величины вычисляются относительно фактического сигнала эталона; обеспечить возможность осуществления оптимального выбора логической схемой одного из двух механизмов для вьфавнивания по

25

30

45

ционные светофильтры, механизм поворота турели жестко связан с механизмом развертки спектра и поворачивает турель, вводя фильтры, область пропускания которых соответствует области сканируемого спектра; набор 4 нейт-50 спектру сигнала сравнивания в зависи- ральных ослабителей - турель, в гнез- мости от необходимости увеличения или да которой установлено 13 нейтральных уменьшения его для введения в зону ослабителей, значение спектральных ко- допустимых значений, что способствует эффициентов пропускания которьк сое- улучшению отношения сигнал - шум; уве- тавляет 0,012; 0,025; 0,05; 0,1: 0,2; 55 личить диапазон допустимых значений

0,4; 0,8; 1,5; 3,0; 6,0; 12,0; 25,0; 50,0%, при этом одно 14-е гнездо турели является пустым отверстием и соотизменения потока излучения, которые не выводят сигнал сравнения за пределы линейного участка характеристики

приемно-уснлнтельного блока за счет достижения большего по сравнению с фотометрическим клином диапазона изменения коэффициентов пропускания набора нейтральных ослабителей, введения регулируемого коэффициента усиления усилителя, введения зоны допустимых значений сигнала сравнения, соответствующих линейному участку характ ристики приемно-усилительного блока.

Все эти свойства позволяют достигнуть цель изобретения - повышение тоности фотометрических измерений.

Предлагаемый спектрофотометр за счет непосредственной стабилизации сигнала в канале сравнения, учитывающей временные изменения характеристик монохроматора, источников и приемников излучения, введение образцов в канал сравнения при дифференциальных измерениях и т.д., позволяет га- рантированно обеспечить измерения в пределах линейной части амплитудной характеристики приемно-регистрирующей системы и тем самым уменьшить погрешность фотометрической шкалы до О, 1 %, а также, используя дифференциональ- ный метод, расширить диапазон измерений в область малых значений коэффи- циентов пропускания без ухудшения отношения сигнал - шум, Формула изобретения

Спектрофотометр, содержащий оптически связанные источник излучения, монохроматор с механизмом сканирова- ния, светоделитель для направления потока излучения попеременно в канал сравнения и в рабочий канал, компенсационный узел с сервоприводом, при- емно-усилительный блок, содержащий фотоприемкик, усилитель и синхронный переключатель, а также устройство обработки данных, устройство индикации. Источник опорного напряжения и схему сравнения, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности фотометрических измерений и расширения динамического диапазона устройства, введены регулятор усиления, датчик нейтральных ослабителей, механи- чески связанный с компенсационным узлом, первая, вторая и третья схемы И и набор селективных светофильтров, размещенный между монохроматором и светоделителем и механически связан- ный с механизмом сканирования монохроматора, при этом компенсационный узел выполнен в виде набора нейтральных

0

5 п 5

0

5

ослабителей, регулятор усиления включает генератор импульсов, две ячейки И, вторые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, первые входы являются соответственно первым и вторым входами регулятора усиления, реверсивный счетчик, входы которого соединены с выходами ячеек И, и ци- фроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, источник опорного напряжения имеет два выхода, схема сравнения состоит из двух компараторов, причем инвертирующий вход первого компаратора подключен к первому выходу источника опорных напряжений, неинвертирующий вход второго компаратора подключен к второму выходу источника опорных напряжений, некнвер- тирую1ций вход первого компаратора и инвертирующий вход второго компаратора - к первому выходу синхронного переключателя, выход второго компаратора соединен с первым входом первой схемы И и вторым входом сервопривода, выход первого компаратора соединен с первым входом регулятора усиления и с вторым входом второй схемы И, выход первой схемы И соединен с вторым входом регулятора усиления, первый вход второй схемы И соединен с выходом переполнения реверсивного счетчика, выход второй схемы И подключен к первому входу сервопривода и второму входу третьей схемы И, первый вход которой соединен с вторым выходом датчика нейтральных ослабителей, а выход - с третьим входом устройства индикации, первый выход датчика нейтральных ослабителей соединен с вторым входом первой схемы И, нулевой выход реверсивного счетчика соединен с вторым входом устройства индикации, первый вход которого подключен к выходу устройства обработки данных, первый и второй входы устройства обработки данных соединены соответственно с первым и вторым выходами синхронного переключателя, первый и второй входы синхронного переключателя соединены с вькодом усилителя и первым входом цифроаналогового преобразователя, выход которого через резистор соединен с входом усилителя и выходом фотоприемника, а третий и четвертый входы синхронного переключателя соединены с вторым и первым выходами светоделителя.

Фиг.г