Фотометр для измерения концентрации веществ с использованием индикаторных полос Советский патент 1991 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к фотометрии.

Целью изобретения является расширение области применения за счет увеличения видов используемых индикаторных полос путем возможности непосредственно настройки на определенный вид индикаторных полос при одновременном упрощении конструкции.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена структурная схема фотометра.

Фотометр для измерения концентрации вещества с. использованием индикаторных полос состоит из оптического блока 1, источника 2 света с заданной длиной волны, фотоприемника 3, усилителя 4, устройства 5

установки коэффициента Ki, устройства 6 установки коэффициента Ка источник 7 опорного напряжения, аналогового сумматора 8, аналого-цифрового преобразователя 9 и устройства 10 отображения информации

Оптический блок 1 выполнен в виде интегрирующей сферы, имеющей окна и приспособления для крепления источника 2 света, фогспрчемнмка 3 а также зажим для фиксации индикаторной полосы воэде специального измерительного окна в интегрирующей форме Источник 2 света, в качестве которого может быть использован светоци- од, имеющий узкий спектр излучения с явно выраженным максимумом освещает внутреннюю поверхность интегрирующей с феКЭ

ры, где за счет многократного диффузного отражения образуется равномерное свечение. Этот свет через окно в интегрирующей сфере освещает индикаторную полоску, от которой диффузно отражается (или сквозь которую проходит) и попадает на фотопри- емник 3. Такая конструкция оптического Олока обеспечивает высокую точность преобразования количества света, отраженного от индикаторной полоски (или прошедшего через нее), в электрический сигнал. Фогопру)емник 3 соединен с входом усилителя 4, выполненного по схеме М-ДМ- усилителя, за счет чего полностью устраняются погрешности фотометра, вызванные изменением напряжения смещения и температурным дрейфом разности входных токов усилителя. Аналоговый сумматор 8 построен на операционном усилителе по схеме дифференциального сумматора с независимой регулировкой коэффициента усиления по каждому из входов. При этом устройство 5 установки коэффициента Ki, в качестве которого используется многооборотный переменный резистор в реостатном Е ключении, одним концом подключено к вы- - ходу усилителя 4, а другим к инвертирующему входу операционного усилителя аналогового сумматора. К неинвертирующему входу этого усилителя подключен вывод устройства 6 установки коэффициента К2, выполненного аналогично устройству

коэффициента Ki Вход устройства 6 установки коэффициента- Y.I соединен с выходом источника 7 опорного напряжения. Выход аналогового сумматора 8 подключен к входу 11 аналого-цифрового преобразователя 9, предназначенному для подачи входного напряжения. К входу 12, предназначенному для подачи на АЦП опорного напряжения, подключен выход усилителя 4. Аналого-цифровой преобразователь 9 выполнен на микросхеме функционально законченного АЦП, имеющей выход непосредственно на жид- iокристалличсский цифровой индикатор, который используется в фотометре в качест- ке устройства 10 отображения информации, Напряжение, подаваемое на вход, предназначенный для подачи опорного напряжения, для этой микросхемы не должно превышать 1 В. Исходя из этого, усилитель Фотометра настраивается таким образом, чтобы напряжение на выходе усилителя соответствовало коэффициенту отражения образца, вводимого в оптический блок. При этом необходимо отметить, что такая регулировка усилителя необязательна. Главное требование,которое обеспечивает точность измерений - это сохранение пропорциональной зависимости между коэффициентом отражения и напряжением на выходе усилителя. Фотометр, предназначен для измерения концентрации веществ с использованием специальных индикаторных полос путем аппроксимации значений коэффициента отражения прореагировавших индикаторных полос уравнением, имеющим вид

10

(D

где Y - значения концентрации, отображаемые на устройстве отображения;

Т - коэффициент отражения индикаторной полоски;

Ki и «2 - коэффициенты уравнения аппроксимации.

Известно, что аналого-цифровой преобразователь по принципу работы является

устройством сравнения. В нем сравнивается входное напряжение с так называемым опорных1 и результат этого сравнения преобразуется в цифровую форму. Это сравнение осуществляется путем деления

входного напряжения на некоторое постоянное опорное напряжение, В общем виде это выглядит следующим образом,

N К

JJBX

Uon

(2)

где N - выходной код АЦП;

UBX - напряжение, подаваемое на измерительный вход АЦП;

Uon - напряжение, подаваемое на вход опорного напряжения АЦП;

К- коэффициент пропорциональности, зависящий от типа АЦП.

Обычно АЦП работают в режиме, когда

на измерительный вход подключают измеряемый сигнал, а на вход подачи опорного напряжения - стабильное, установленное с высокой точностью напряжение, осуществляющее согласно уравнению (2) масштабирование зависимости между входным сигналом и выходным кодом АЦП. При этом выражение (2) может быть записано следующим образом:

50

N A -X,

(3)

А т

U

оп

где X - изменяющееся напряжение, которое на АЦП преобразуется в цифровую форму. Если согласно выражению (2) напряжение UBX поддерживать постоянным, а вход, предназначенный для подачи опорного напряжения, подавать изменяющееся напряжение, то выражение (2) примет вид

N

А

X

(4)

где А К UBX.

В этом случае выходной код АЦП N связан с входным сигналом гиперболической функцией с одним коэффициентом А .

Напряжения на оба входа АЦП подаются нестандартно, а именно: на вход, предназначенный для подачи входного напряжения, поступает напряжение, равное сумме напряжений, одно из которых - напряжение с выхода усилитепя, пропорциональное коэффициенту отражения индикаторной полосы, умноженное на коэффициент аппроксимации Ki, а другое - опорное напряжение, умноженное на коэффициент аппроксимации Ка, и на вход, предназначенный для подачи опорного напряжения, подается напряжение с выхода усилителя, пропорциональное коэффициенту отражения образца.

При этом в соответствии с уравнением преобразования выходной код АЦП связан с выходным сигналом уравнением

N К

Ki X + К2 Do

или

(Ki+)

(5)

где Ki, K2 - коэффициенты аппроксимации;

Do - опорное напряжение.

Таким образом, включение аналого- цифрового преобразователя в соответствии с предложенным решением позволяет простым способом реализовать функциональную зависимость между входным сигналом, пропорциональным интенсивности света, попавшего на блок фотоприемника, и вы- ходным кодом аналого-цифрового преобразователя, поступающим на устройство отображения информации. Зависимость описывается гиперболическим уравнением с двумя регулируемыми коэффициентами Ki и К2, причем коэффициент Ki оказывает максимальное влияние на ход кривой при больших значениях X, а коэффициент Ка при малых значениях X. Наличие в уравнении двух регулируемых коэффициентов; каждый из которых осуществляет воздействие на кривую в своей области с незначительным взаимным влиянием, делает такой способ

построения функционально гибким, а фотометр - легко и в широких пределах перестраиваемым

При этом все величины, участвующие в 5 формировании выходного кода АЦП - UBX, Ki и К2 - поступают на вход АЦП одновременно, что позволяет наблюдать на цифровом индикаторе изменение любой из них. В частности, при настройке фотометра для ра10 боты с данным конкретным видом индикаторных полос достаточно иметь две калибровочные полоски, например, тест 1 и тест 2, коэффициент отражения которых (Т) эквивалентен концентрации исслед/емо15 го компонента соответственно YI и Уг, если Ti Т2, то YI Y2 (см. уравнение (1)). Примечание: Калибровочные полоски Тест 1 и Тест 2 могут быть получены в результате воздействия на индикаторные полосы

0 контрольных растворов, содержащих исследуемое вещество в концентрациях YI и Y2 соотве свтенно.

Установив в фотометр полоску Тест 2 и наблюдая показания индикатора 10, изме5 нением коэффициента К2 в устройстве 6, например, вращением оучки резистора устанавливаем показание индикатора, равное Y2. Заменив полоску Тест 2 на Тест 1, изменением коэффициента Ki добиваемся

0 показания индикатора, равного YL Изменение коэффициентов Ki и К2 может быть осуществлено в широких пределах, что позволяет настроить фотометр на любой вид индикаторных полос непосредственно

5 оператору при эксплуатации прибора.

Параллельная обработка поступающей информации, применяемая в предлагаемом устройстве, позволяет опеоатору, эксплуатирующему прибор, варьировать коэффи0 циенты Ki и К2, что обуславливает возможность работы с любыми видами индикаторных полос.

Формула изобретения Фотометр для измерения концентра5 ции веществ с использованием индикаторных полос, содержащий оптический блок, устройство освещения индикаторных полос, помещаемых в оптический блок, светом на заданной длине волны, фотоприемник,

0 оптически связанный с оптическим блоком, к выходу которого подключен усилитель, устройства установки коэффициентов Кч и К2 уравнения аппроксимации кривой зависимости концентрации вещества от коэффици5 ента отражения индикаторной полосы, источник спорного напряжения, аналого- цифровой преобразователь и устройство отображения информации, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет увеличения видов используемых индикаторных полос путем возможности непосредственной настройки на определенный вид индикаторных полос при одновременном упрощении конструкции, в фотометр введен аналоговый сумматор, при этом выход усилителя соединен с опорным входом аналого-цифрового преобразователя и с входом устройства установки коэффициента Ki уравнения аппроксимации, выход которого подключен к первому

0

входу аналогового сумматора, выход источника опорного напряжения соединен с входом устройства установки коэффициента К2 уравнения аппроксимации, аых од которого подключен к второму входу аналогового сумматора, выход сумматора соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к аходу устройства отображения информации.

Изобретение относится :с измерительной технике, в частности к фотометрии. Целью изобретения является расширение вида используемых индикаторных полос за счет возможности непосредственной настройки на определенный вид индикаторных полос при одновременном упрощении конструкции. Фотометр содержит оптический блок, источник света с заданной длиной волны, фотоприемник, усилитель, устройства установки коэффициентов аппроксимации, источник опорною напряжения, аналоговый сумматор, аналого-цифровой преобразователь, устройство отображения информации. После калибровки фотометра в оптический блок вводится прореагировавшая индикаторная полоска, на выходе усилителе ус.анаьливается напряжение, пропорциональное коэффициенту отражен/.я данной попоски Аналого-цифровой преобразоватепь совместно с аналоговым сумматором и устройствамi установки коэффициентов производят одновременно преобразование в цифоовой коц и аппроксимацию напряжения полученного на выходе усилителя 1 ил