Источник оптического излучения Советский патент 1992 года по МПК G01J1/08 

Изобретение относится к фотометрии и может найти применение в физико-химическом анализе различных веществ и в приборах непрерывного действия, предназначенных, например, для контроля состояния окружающей природной среды в угольной промышленности и в других отраслях народного хозяйства.

Известен источник оптического излучения, содержащий лампу накаливания и стабилизированный источник тока, к выходу которого подключена лампа. Для стабилизации параметров лампы ее предварительно подвергают обжигу при номинальном токе, а в рабочем режиме через нее пропускают стабилизированный ток, величина которого значительно меньше номинальной.

Недостатком такого устройства является то, что поток излучения лампы зависит от температуры среды, в которой она находится. На эту зависимость не влияет ни предварительно проведенный отжиг лампы, ни высочайшая стабильность протекающего через нее тока, если таковая и будет достигы

:Ю

&

нута. Действительно, пусть при какой-то начальной температуре среды Т0 лампа находится при работе устройства в режиме энергетического баланса со средой. Если температура среды изменится, например увеличится, состояние энергетического баланса нарушится, так как уменьшится скорость оттока тепла (путем теплопередачи) с нити накала в окружающую среду. При этом нить лампы под действием стабилизированного тока начнет нагреваться, но вместе с тем начнет увеличиваться скорость оттока тепла и путем теплопередачи и путем излучения. И чем больше температура нити, тем выше указанная скорость. В результате нить будет нагреваться до тех пор, пока не установится новое состояние энергетического баланса, соответствующее новой температуре среды Т о. В этом новом состоянии температура нити накала, а следовательно, и поток изучения будут отличаться от тех своих значений, которые они имели в первоначальном состоянии, соответствующем температуре среды Т0.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является источник оптического излучения, в котором осуществлена термостабилизация потока излучения, содержащий лампу накаливания, операционный усилитель, к выходу которого подключен вход эмиттерного повторителя, источник питания операционного усилителя и повторителя, регулируемый источник опорного напряжения и три делителя напряжения, один из входных зажимов каждого из которых соединен с общей шиной, причем первый делитель содержит в одном из плеч лампу накаливания, а в другом - резистор, а второй его входной зажим совпадает с одним из выводов лампы и соединен с выходом повторителя, второй и третий делите- ли содержат в одном из своих плеч резистор, а в другом - терморезистор, при этом выход первого делителя соединен с вторым входным зажимом второго делителя, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а выход третьего делителя и второй его входной зажим соединены соответственно с неинвертирующим входом операционного усилителя и с выходом регулируемого источника опорного напряжения.

За счет терморезисторов, следящих за изменением температуры среды, осуществляется компенсация влияния температуры среды на поток излучения лампы. Механизм термокомпенсации заключается в изменении доли опорного напряжения, поступающего с выхода третьего делителя на

неинвертирующий вход операционного усилителя, и в изменении коэффициента отрицательной обратной связи операционного усилителя, осуществляемой посредством

первого и второго делителей. В результате при подходящем выборе терморезисторов и параметров делителей напряжение на выходе повторителя, а значит, и на лампе изменяется при изменении температуры среды

0 таким образом, что изменение температуры нити накала лампы, вызванное изменением температуры среды, уменьшается.

Недостаток источника состоит в том, что он оказывается эффективным лишь в случае

5 удачного подбора терморезисторов и параметров делителей. Так как разброс парамет- ров терморезисторов и параметров используемых ламп весьма велик, процесс настройки источника ( и перестройки его

0 при смене лампы) оказывается трудоемким. Кроме того, конструкция источника довольно сложна, поскольку он содержит источник опорного напряжения. Напряжение этого источника должно быть очень стабиль5 ным, так как изменение напряжения источника немедленно вызывает изменение светового потока даже в том случае, когда температура среды, в которую помещена лампа, постоянна.

0 Цель изобретения - упрощение конструкции и процесса настройки.

Для достижения поставленной цели в источник оптического излучения, содержащий лампу накаливания, операционный

5 усилитель, к выходу которого подключен вход повторителя напряжения, источник питания операционного усилителя и повторителя и три делителя напряжения, первое плечо каждого делителя образовано соот0 ветствующим резистором, вывод каждого резистора является первым входным зажимом соответствующего делителя и соединен с общей шиной, второе плечо первого делителя образовано лампой накаливания, вы5 ход которой является вторым входным зажимом первого делителя и соединен с выходом повторителя напряжения, а выход первого делителя соединен с вторым входным зажимом второго делителя, введен чет0 вертый делитель напряжения, оба плеча которого образованы резисторами, а вторые плечи второго и третьего делителей также образованы резисторами, при этом выход второго делителя соединен с неин5 вертирующим входом операционного усилителя, второй входной зажим третьего и первый входной зажим четвертого делителя соединены с выходом повторителя напряжения, второй входной зажим четвертого делителя соединен с выходом третьего делителя, а его выход- с инвертирующим входом операционного усилителя.

Упрощение конструкции и настройки в том, что благодаря образованию новых связей элементов преодоление влияния температуры среды, окружающей лампу, на поток излучения достигается без использования источника опорного напряжения и без каких-либо термокомпенсирующих элементов, например терморезисторов. При этом исчезает необходимость кропотливого подбора режимов термокомпенсации, что упрощает настройку устройства. Стабильность потока излучения в предложенном устройстве обусловлена тем, что в нем сопротивление нити накала лампы автоматически восстанавливается при изменении температуры среды.

Так как при стабильных параметрах нити лампы, достигнутых, например, в результате предварительного отжига, температура и сопротивление нити накала связаны между собой взаимно однозначным образом, то стабильность сопротивления нити означает и. стабильность ее температуры, а значит, и потока излучения.

На фиг.1 изображена схема предложенного источника; на фиг.2 - графическая ил- люстрация установившихся режимов работы лампы в предложенном источнике, соответствующих различным температурам среды То . Т0, .

Источник оптического излучения содержит лампу 1 накаливания, операционный усилитель 2, к выходу которого подсоединен вход повторителя 3 напряжения, источник питания операционного усилителя и повторителя (не показан), первый делитель напряжения, плечи которого образованы лампой 1 и резистором 4, второй делитель напряжения,, в плечах которого включены резисторы 5 и 6, третий делитель напряжения с резисторами 7 и 8 в своих плечах. Один из входных зажимов каждого из указанных делителей соединен с общей шиной устройства. Второй входной зажим 9 первого делителя, совпадающий с одним из выводов лампы 1, соединен с выходом повторителя 3, а выход этого делителя (точка соединения резистора 4 и лампы) - с вторым входным зажимом 10 второго делителя, выход которого (точка соединения резисторов 5 и 6) соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 2. Источник содержит также четвертый делитель напряжения, плечи которого образованы резисторами 11 и 12, причем один его входной зажим 13 соединен с выходом повторителя 3, другой входной зажим 14 - с выходом третьего делителя (точка соедине(2)

ния резисторов 7 и 8), а выход четвертого делителя (точка соединения резисторов 11 и 12) - с инвертирующим входом операционного усилителя.

Второй входной зажим 15 третьего делителя соединен с выходом повторителя. Совокупность операционного усилителя 2, повторителя 3 и резисторов 5,6.11 и 12 образует узел 16.

0 Сопротивления резисторов 5,6,11 и 12 можно выбрать такими, чтобы выполнялись соотношения

,(1)

где Rs.Re.Rn и Ri2 сопротивления резисто5 ров 5,6,11 и 12 соответственно;

В этом случае узел 16 является дифференциальным усилителем. Неинвертирующим входом усилителя 16 является входной зажим 10 второго делителя напряжения, ин0 вертирующим входом - входной зажим 14 четвертого делителя, а выходом - выход повторителя. Коэффициент усиления К дифференциального усилителя 16 равен

к- R12 5К RTT

Кроме того, для простоты будем считать, что выполняются соотношения Rs R4, .(3)

так что входы усилителя 16 достаточно хоро0 шо развязаны от выходов первого и третьего делителей, хотя и это необязательно.

Источник работает следующим образом.

Дифференциальный усилитель 16 охва5 чен положительной обратной связью посредством делителя, образованного лампой 1 и резистором 4, и отрицательной обратной связью, осуществляемой через делитель, содержащий в своих плечах резисторы 7 и 8.

0 В момент включения источника питания (не показан) сопротивление нити лампы пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением резистора 4 так, что коэффициент положительной обратной связи усилителя

5 16 в этот момент близок к 100% значительно превосходит коэффициент отрицательной обратной связи. Поэтому в устройстве возникает самопроизвольный лавинообразный процесс роста напояжения на выходе

0 усилителя 16, который мог бы приостановиться лишь при входе операционного усилителя 2 в режим насыщения. При этом, чем сильнее коэффициент положительной обратной связи превышает свое некоторое

5 критическое значение, определяемое параметрами устройства, тем выше скорость роста напряжения. Одна.ко в процессе спонтанного роста напряжения ток через лампу возрастает, нить лампы нагревается

и сопротивление ее увеличивается. С увеличением сопротивления нити уменьшается превышение коэффициента положительной обратной связи над коэффициентом отрицательной обратной связи, фиксированным резистором 7 и 8. Отличие этого превышения от критического своего значения также уменьшается. В результате скорость спонтанного роста напряжения уменьшается в процессе этого роста и может наступить си- туация, когда рост напряжения практически прекратится, не успев вывести операционный усилитель 2 в режим насыщения и в источнике наступит установившееся состояние при линейном режиме работы усилите- лей 2 и 16. При этом сопротивление нити лампы примет значение, соответствующее критическому значению коэффициента положительной обратной связи.

Кроме указанного процесса спонтанно- го роста напряжения, скорость которого имеет тенденцию к уменьшению, едет еще процесс рассеяния энергии нити лампы в окружающую среду (через теплопроводность и излучение). Поэтому, если в тот мо- мент, когда сопротивление нити лампы достигнет своего критического значения, но условие энергетического баланса лампы со средой окажется невыполненным, сопротивление нити отклоняется от своего крити- ческого значения, что приводит в зависимости от знака отклонения либо к возобновлению роста, либо к появлению спада напряжения на выходе усилителя 16 (последнее имеет место в том случае, когда коэффициент положительной обратной связи меньше критического). Но спонтанное изменение напряжения стимулирует изменение сопротивления нити в направлении, противоположном тому его первоначальному измене- нию, которое и породило возобновление самого этого спонтанного процесса. В результате скорость спонтанного изменения напряжения вновь пойдет на убыль, но приближается к нулю уже при другом напря- жении на выходе усилителя 16, причем лампа оказывается уже ближе к режиму теплового баланса со средой. В конце концов постепенно источник может приобрести такое состояние, в котором при отсутствии спонтанных измене- ний напряжения оказывается выполненными условие теплового баланса лампы со средой, т.е. источник находится во вполне установившемся состоянии.

Эксперимент показывает, .что источник действительно легко входит в самопроизвольно устанавливающийся стационарный режим при подходящем выборе параметров своих элементов. В этом случае при изменении температуры среды в широких пределах

устройство совершенно самостоятельно проходит последовательность различных установившихся состояний, соответствующих той или иной температуре среды. Но во всех этих установившихся состояниях сопротивление нити накала лампы принимает одно и то же значение. Действительно, в установившихся состояниях должно выполняться следующее очевидное соотношение:

R4U

вых

R7+R8

R7) К ивых , (4)

где ивых - напряжение на выходе усилителя 16;

Rn - сопротивление нити накала лампы;

RH,R и Re - коэффициент усиления дифференциального усилителя 16.

Соотношение (4) получено с учетом соотношения (3). При 1)Вых 0 соотношение (4) может иметь место только в том случае, если

R

RT + RS

) 1

отсюда

ко-п)-1

Rn RA

Т+Ж

(5)

где п

Ri

R + Rs

Иными словами, сопротивление нити накала, которое она принимает в самопроизвольно устанавливающихся стационарных состояниях, зависит только от сопротивлений RA, R и Re и резисторов 4,7 и 8 и от коэффициента усиления К усилителя 16 и не несет никакой информации о температуре среды, в которой находится лампа, т.е. от нее не зависит.

На фиг.2 изображено семейство вольт- амперных характеристик лампы в режимах энергетического баланса со средой, находящейся в различных температурах T O, и Т о. Прямая ON есть прямая равных сопротивлений. При каждом значении температуры среды сопротивление нити при работе источника принимает одно и то же значение в соответствии с формулой (5), которое и определяет наклон прямой ON. Напряжение и ток лампы в различных установившихся состояниях источника определяются точками пересечения прямой ON с соответствующими вольт-амперными характеристиками.

Выражение (5) очевидно, имеет смысл в том случае, если величины Кип подобраны так, что выполняется неравенство

K(1 -n) 1.

Как показывали эксперименты с использованием лампы ОПЗ-0,25, источник нормально функционирует по крайней мере при К 5 и п, лежащем в пределах 0,2 - 0,7. При любых значениях Кип, фиксированных в этих пределах, источник легко выводится на установившийся режим путем регулирования сопротивления резистора 4.

Так как сопротивление лампы в предло- женном источнике не изменяется с изменением температуры среды, то и температура нити, а следовательно, и поток излучения также от температуры среды не зависят. Температура среды, в которой находятся операционный усилитель 2 и повторитель 3, и нестабильность источника питания также практически не влияют на поток излучения. Объясняется это тем, что коэффициент усиления Ki операционного усилителя 2, под- верженный влиянию дестабилизирующих факторов, весьма велик (порядка 10000 и более). Поэтому даже при значительных изменениях величины Ki (даже 50%) она все еще остается достаточно большой и в силу этого ее конкретная величина не сказывается на коэффициенте К усилителя 16, который практически полностью определяется сопротивлениями масштабных резисторов 5,6,11 и 12, соотношения (1) и (2).

Наличие в дифференциальном усилителе 16 цепей, образованных резисторами 6,5,11 и 12, уменьшает влияние напряжения смещения операционного усилителя 2 на поток излучения по сравнению с тем случа- ем, когда в качестве усилителя 16 использовался бы непосредственно операционный усилитель 2 с повторителем 3.

Таким образом, независимость потока излучения от температуры среды достигается без источника стабильного опорного напряжения и без каких-либо термокомпен- сирующих элементов.

Формула изобретения Источник оптического излучения, содержащий лампу накаливания, операционный усилитель, к выходу которого подключен вход повторителя напряжения, источник питания операционного усилителя и повторителя напряжения, а также три делителя напряжения, первое плечо каждого делителя образовано соответствующим резистором, выход каждого резистора является первым входным зажимом соответствующего делителя и соединен с общей шиной, второе плечо первого делителя образовано лампой накаливания,выход которой является вторым входным зажимом первого делителя и соединен с выходом повторителя напряжения, а выход первого делителя соединен с вторым входным зажимом второго делителя, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и процесса настройки источника, в него введен четвертый делитель напряжения, оба плеча которого образованы резисторами, а вторые плечи второго и третьего делителей также образованы резисторами, при этом выход второго делителя соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, второй входной зажим третьего и первый входной зажим четвертого делителей соединены с выходом повторителя напряжения, второй входной зажим четвертого делителя соединен с выходом третьего делителя, а его выход - с инвертирующим входом операционного усилителя.

Изобретение относится к фотометрии и может найти применение в физико-химическом анализе различных веществ и в приборах непрерывного действия, предназначенных, например, для контроля состояния окружающей природной среды. Цель - упрощение конструкции и процесса настройки. Для этого устройство содержит лампу накаливания, операционный усилитель, повторитель напряжения, четыре делителя напряжения, плечи которых, кроме первого, образованы резисторами, первый входной зажим первого, второго и третьего делителей соединен с общей шиной, выход второго делителя соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, а второй входной зажим третьего и четвертого делителей - с выходом повторителя напряжения, тогда как первый входной зажим четвертого делителя соединен с выходом третьего делителя, а выход четвертого делителя - с инвертирующим входом операционного усилителя. Первое плечо первого делителя образовано резистором, а второе - лампой накаливания, крайний вывод которой соединен с выходом повторителя, а выход первого делителя соединен с вторым входным зажимом второго делителя. 2 ил.

Фи9. 4

Фае .2