Фотометрический дискриминатор Советский патент 1992 года по МПК G01D1/04 

СО

С

Изобретение относится к оптическим фотометрам и предназначено для использования в качестве чувствительного элемента в автоматизированных системах управления. Цель изобретения - повышение точности и надежности работы дискриминатора Устройство включает опорную и измерительную лампы накаливания, оптический аттенюатор, измерительную ячейку, блок автоматического регулирования интенсивности срета, блок управления, волоконный световод, первый, второй и третий каскады выборки и хранения, потенциометр, источник стабилизированного напряжения, усилитель, вычитатель, мультивибратор, двухсторонний ограничитель, многовходо- вой фоторезисторный приемник, преобразователь ток-напряжение, фиксирующую цепочку и детектор 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к оптическим фотометрам, действующим по принципу сравнения, и предназначено для использования в качестве чувствительного элемента в автоматизированных системах управления, используемых в цеховых условиях, например, для определения качества продукта, загрязненности стоков и т.д.

Известен фотоколориметрический анализатор АФ-297. содержащий измерительный блок, блок усиления, компрессор, термостат, блок еодоподготовки и электронный мост.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является двухлучевой фотометр с двумя излучателями, включающий два источника света, оптический фильтр, модулятор, две ячейки со сравниваемыми поглотителями света и фотоприемник.

Недостатком устройства является необходимость использования в нем кинематических узлов, идентичных излучателей, стабильного фотолриемника. что приводит к снижению точности устройства. Кроме того, устройство не обладает дискриминатор- ной характеристикой, что затрудняет его использование в качестве чувствительного элемента системы автоматического регулирования технологического процесса.

Цель изобретения - повышение точности работы устройства.

Цель достигается тем. что в фотометрическое устройство, содержащее опорную и измерительную лампы накаливания, оптический аттенюатор, измерительную ячейку, установленную на пути излучения измерительной лампы, фотоприемник и выходную клемму, дополнительно введены блок управления, блок автоматического регулироVI

vi со ел ю а

вания интенсивности света, соединенный третьим, четвертым и пятым входами соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока управления, последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, вход которого подключен к выходу фотоприемника, фиксирующая цепь, детектор, первый элемент выборки-хранения и блок вычитания, выход которого подключен к выходной клемме, волоконный световод, связывающий дополнительный оптический вход фотоприемника, основной оптический вход которого установлен на путиАизлучения от измерительной ячейки, с оптическим аттенюатором, установленным на пути излучения опорной лампы, последовательно соединенные мультивибратор и двухсторонний ограничитель, выход которого подключен к электрическому входу фотоприемника, второй и третий элементы выборки-хранения, инвертор, потенциометр, усилитель и источник напряжения, выходом подключенный через потенциометр к другому входу блока вычитания и выходу второго элемента выборки-хранения, один вход которого соединен с выходом детектора, а другой вход подключен к пятому выходу блока управления, одному входу третьего элемента выборки-хранения и шестому входу блока автоматического регулирования интенсивности света, первый и второй оптические входы которого установлены на пути Света, а первый и второй выходы подключены соответственно к измерительной и опорной лампам, при этом средний вывод потенциометра через усилитель подключен к другому входу третьего элемента выборки- хранения, выход которого соединен непосредственно с вторым входом и через инвертор - с третьим входом двустороннего ограничителя, а выход мультивибратора подключен к входу блока управления, четвертый выход которого соединен с другим входом первого элемента выборки-хранения

Отличительным признаком изобретения является то, что в него введены блок управления, блок автоматического регулирования интенсивности света, соединенный третьим, четвертым и пятым входами- соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока управления, поеледова- .тельно соединенные преобразователь ток- напряжение, вход которого подключен к выходу фотоприемника, фиксирующая цепь, детектор, первый элемент выборки- хранения и блок вычитания, выход которого подключен к выходной кл§мме, волоконный световод, связывающий дополнительный оптический вход фотоприемника, основной

оптический вход которого установлен на пути излучения от измерительной ячейки, с оптическим аттенюатором, установленным на пути излучения опорной лампы, последовательно соединенные мультивибратор и двухсторонний ограничитель, выход которого подключен к электрическому входу фотоприемника, второй и третий элементы выборки-хранения, инвертор, потенцио0 метр, усилитель и источник напряжения, выходом подключенный через потенциометр к другому входу блока вычитания и выходу второго элемента выборки-хранения, один вход которого соединен с выходом детекто5 ра, а другой вход подключен к пятому выходу блока управления, одному входу третьего элемента выборки-хранения и шестому входу блока автоматического регулирования интенсивности света, первый и второй опти0 ческие входы которого установлены на пути света, а первый и второй выходы подключены соответственно к измерительной и опорной лампам, при этом средний вывод потенциометра через усилитель подключен

5 к другому входу третьего элемента выборки- хранения, выход которого соединен непосредственно с вторым входом и через инвертор - с третьим входом двухстороннего ограничителя, а выход мультивибратора

Q подключен к входу блока управления, четвертый выход которого соединен с другим входом первого элемента выборки-хранения.

Другое отличие фотометрического усте ройства состоит в том, что блок управления его выполнен в виде делителя частоты, вход которого является входом блока управления, двух дифференцирующих цепей, элемента ИЛИ, двух одновибраторов и трех

Q элементов ИЛИ-НЕ выходы которых являются соответственно третьим, четвертым и пятым выходами блока управления, при этом первый и второй выходы делителя частоты являются соответственно первым и

с вторым выходами блока управления и подключены соответственно через первую и вторую дифференцирующие цепи, элемент ИЛИ и второй одновибратор к одним входам второго и третьего элементов ИЛИ-НЕ, выр ход второй дифференцирующей цепи подключен через первый одновибратор к одному входу первого элемента ИЛИ-НЕ. другой вход которого соединен с другим входом второго элемента ИЛИ-НЕ и с первым выходом делителя частоты, второй вы5

ход которого подключен к другому входу третьего элемента ИЛИ-НЕ.

Еще одним отличием фотометрического устройства является то. что блок автоматического регулирования интенсивности света содержит два волоконных световода, входы которых являются первым и вторым оптическими входами блока, последовательно соединенные фотоприемник, первый и второй входы которого связаны с соответствующими волоконными световодами, преобразователь ток-напряжение, первый элемент выборки-хранения, блок вычитания, корректирующую цепь, усилитель и первый управляемый источник напряжения, выход которого является первым входом блока автоматического регулирования интенсивности света, а второй вход - третьим входом этого блока, источник стабилизированного напряжения, выходом подключенный к третьему входу фотоприемника, второй элемент выборки-хранения, включенный между выходом преобразователя ток-напряжение и другим входом блока вычитания, второй управляемый источник напряжения, вход и выход которого является соответственно четвертым входом и вторым выходом блока автоматического регулирования интенсивности света, пятым и шестым входами которого являются другие входы первого и второго элементов выборки-хранения соответственно

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг 2 - блок- схема блока управления; на фиг. 3 - блок- схемаблокаавтоматического регулирования интенсивности света.

Фотометрическое устройство содержит блок управления 1, блок автоматического регулирования интенсивности света 2, измерительную и опорную лампы накаливания 3 и 4 соответственно, измерительную ячейку 5, фотоприемник 6, установленный своим основным оптическим входом в световой поток измерительной лампы 3 на выходе измерительной ячейки 5. при этом его дополнительный оптический вход введен через волоконный световод 7 и оптический аттенюатор 8 в световой луч опорной лампы 4, а электрический вход указанного приемника 6 подключен л выходу двухстороннего ограничителя 9, выход фотоприемника 6 через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение 10 и фиксирующую цепь 11 подключен к входу детектора 12, первый, второй и третий элементы выборки-хранения 13, 14 и 15 соответственно, причем выход первого из указанных элементов 13 соединен с первым входом блока вычитания 16, выход второго - 14 - с вторым входом блока вычитания 16 и первым выводом потенциометра 17, второй вывод которого подключен к выходу источника напряжения 18, выход третьего элемента - с вторым входом двухстороннего ограничителя 9 и через инвертирующий каскад 19 - с третьим входом ограничителя 9, мультивибратор 20 и усилитель 21.

5Блок управления содержит делитель частоты 22 с первым (прямым) и вторым (инверсным) выходами, первую и вторую дифференцирующие цепи 23, 24, подключенные соответственно к указанным выхо0 дам и нагруженные на элемент ИЛИ 25, первый и второй одновибраторы 26 и 27, первый из которых подключен к выходу второй дифференцирующей цепи 24, а второй - к выходу элемента ИЛ И 25, первый, второй

5 и третий элементы ИЛИ-Н Е 28, 29 и 30 соответственно. Первые входы первого и второго из указанных элементов 28 и 29 соединены с прямым выходом делителя частоты 22 и первым выходом блока, вторые

0 входы этих элементов подключены к выходам первого и второго мультивибраторов 26 и 27 соответственно, а выходы - к третьему и четвертому выходам блока Первый вход третьего элемента ИЛИ-НЕ 30 соединен с

5 инверсным выходом делителя частоты 22 и вторым выходом блока, второй вход указанного элемента подключен к выходу второго мультивибратора 27, а выход - к пятому выходу блока.

QБлок автоматического регулирования

интенсивности света содержит первый управляемый источник напряжения 31, комму- тирующий вход которого соединен с третьим входом блока, а выход - с первым

с выходом блока, второй управляемый источник напряжения 32. коммутирующий вход которого соединен с четвертым входом блока, волоконные световоды 33 и 34, установленные на первом и втором оптических

г, входах фотоприемника 35, источник стабилизированного напряжения 36, подключенный к электрическому входу указанного приемника 35, преобразователь ток-напряжение 37, установленный на выходе упомяс. нутого приемника 35. первый и второй элементы выборки-хранения 38 и 39 соответственно. Их сигнальные входы подключены к выходу преобразователя ток-напряжение 37, а коммутационные - к 1 пятому и шестому входам блока для первого и второго упомянутых элементов 38 и 39 соответственно. На выходах элементов выборки-хранения 38 и 39 установлен блок вычитания 40, подключенный через последовательно соединенные корректирующую цепь41 и усилитель 42 к управляющему входу первого управляемого источника напряжения 31.,

Торец волокрнного световода 33 введен в световой луч опорной лампы 4, а торец

0

5

волоконного световода 34 - в световой луч измерительной лампы 3 фотометрического устройства.

Устройство работает следующим образом.

Блок управления 1 формирует и выдает со своего первого и второго выходов противофазные импульсы Ui и U2, которые поступают соответственно на третий и четвертый входы блока автоматического регулирования интенсивности света 2. В нем они коммутируют источники питания измерительной лампы 3 и опорной лампы 4, установленные на первом и втором выходах указанного блока регулирования, в результате чего лампы поочередно загораются и гаснут.

В период горения измерительной лампы 3 она облучает измерительную ячейку 5 Прошедший через нее световой поток Фя поступает на основной оптический вход фотоприемника 6. В следующий интервал времени, когда при обесточенной измерительной лампе 3 горит опорная лампа 4, часть ее светового потока Фо, ослабленного оптическим аттенюатором 8, поступает по волоконному световоду 7 на дополнительный оптический вход указанного приемника 6

На электрический вход фотоприемника 6 поступает токозадающее напряжение прямоугольной формы, сформированное мультивибратором 20 симметрично ограниченное в области положительных и отрица- тельных значений двухсторонним ограничителем 9. Такую же форму несущей получают как токовый сигнал на выходе фотоприемника 6, так и потенциальный сигнал на выходе преобразователя ток-напряжение 10, установленного на выходе указанного приемника.

В результате поочередного включения ламп 3 и 4 сигнал на выходе преобразователя 10 приобретает амплитудную модуляцию. Огибающая этого сигнала при неизменной величине токозадающего напряжения повторяет интенсивность световых сигналов на оптических входах приемника 6. С помощью фиксирующей цепи 11 огибающая отрицательных полупериодов несущей приводится к нулевому потенциа iy, а установленный на выходе указанной цепи детектор 12 выделяет огибающую положительных импульсов несуще v1

Продектированные импульсы поступают на первые (сигнальные) входы первого и второго элементов выборки-хранения 13 и 14 соответственно. Первый из этих элементов 13 открывается импульсной командой

U4 блока управления 1 спустя некоторое время 1зи после включения нулевым уровнем сигнала Ui измерительной лампы 3, Элемент переходит в режим хранения в момент снятия напряжения с измерительной лампы 3 и включения опорной лампы 4. Второй элемент выборки-хранения 14 открывается командой Us блока управления 1 спустя некоторое время т.зо после включения нуле0 вым уровнем сигнала U2 опорной лампы 4. Элемент переходит в режим хранения в момент снятия напряжения с опорной лампы 4 и включения измерительной лампы 3. Команды LM и Us поступают соответственно с

5 четвертого и пятого выходов блока управления 1. В итоге такой работы упомянутых элементов на их выходах в установившемся режиме и при прочих неизменных условиях будут иметь место постоянное напряжения

0 пропорциональные величинам световых потоков, поступающих на фотоприемник 6 во время горения измерительной лампы 3 (выход элемента 13) и во время горения опорной лампы 4 (выход элемента 14). При

5 некотором соотношении этих потоков напряжения на выходах упомянутых элементов 13 и 14 будут одинаковыми.

Для уменьшения влияния на чувствительность устройства температуры, оптиче0 ской предыстории и других факторов в нем предусмотрена система автоматической стабилизации напряжения опорного тракта на выходе элемента выборки и хранения 14. С этой целью указанное напряжение сравс нивают на потенциометре 17 с некоторым эталонным напряжением источника напряжения 18, к которому подключен свободный конец упомянутого потенциометра. Разностное напряжение подают на усилитель 21

0 а с него - на вход элемента выборки-хранения 15, управляемого синхронно и той же командой, что и одноименный элемент 14 Оба эти элемента 14 и 15 открываются во время горения опорной лампы 14, остаются

,- в таком состоянии на время действия импульсной команды Us и на этот период времени замыкают контур упомянутой системы стабилизации. Во время замкнутого состояния системы напряжение с элемента выбор ки-хранения 15 изменяет в двухстороннем ограничителе 9 порог ограничения, например, сверху, в то время как его порог ограничения снизу меняется зеркальным образом напряжением инвертирующего каскада 19. На время горения измерительной лампы 3 потенциалы упомянутых порогов останутся подстроенными и неизменными Следовательно, подстроенным и неизменным останется и токозадающее напряжение на входе приемника б поэтому откорректи5

рованным станет и напряжение на выходе элемента выборки-хранения 13. На блоке вычитания 16 его теперь сравнивают практически с постоянным напряжением опорного тракта. Разность указанных напряжений поступает на выход устройства.

Блок управления 1 работает следующим образом.

Напряжение мультивибратора 20 посту- пает на делитель частоты 22. Противофазные импульсные последовательности Ui и U2 с прямого и инверсного выходов указанного делителя 22 поступают на первый и второй выходы блока соответственно.

Передние фронты импульсов поделенной частоты делителя 22 дифференцируют цепочками 23 и 24, пучки положительной полярности суммируют на элементе ИЛИ 25 и запускают ими одновибратор 27, который формирует импульсы иш. Длительность гш импульсов иш выбирают равной, либо несколько меньшей половины полупериода импульсов поделенной частоты, а по абсолютной величине такой, чтобы перекрыть основную часть переходного процесса нарастания яркости свечения лампы при ее включении.

Путем инверсии суммы сигналов Ui и иш получают на выходе элемента ИЛИ-НЕ 29 напряжение 1М, подаваемое на четвертый выход блока. Путем инверсии суммы сигналов U2 и иш получают на выходе элемента ИЛИ-НЕ 30 напряжение Us, подаваемое на пятый выход блока. Импульсы Щ и Us оказываются в итоге задержанными относительно фронтов импульсов Ui и U2 на величину 1зи t3o ЈшПоложительным импульсом с выхода дифференцирующей цепи 24 запускают од- новибратор2б, который формирует импульсы Uy. Их длительность щ выбирают несколько меньше длительности гш одно- вибратора 27. Путем инверсии суммы сигналов Ui и Uy получают на выходе элемента ИЛИ-НЕ 28 напряжение Us, подаваемое на третий выход блока. Импульсы из опережают импульсы U4 на величину г гш - Щ . Это сделано для того, чтобы к моменту очередного измерения оптического поглоще- ния в измерительной ячейке 5 произошла подстройка интенсивности света измерительной лампы 3.

Эпюры напряжений блока управления 1 представлены на фиг. 4.

Блок автоматического регулирования интенсивности света 2 работает следующим образом.

На третий и четвертый входы блока 2 поступают из блока управления 1 импульсные последовательности Ui и U2. которые своим нулевым уровнем включают поочередно измерительную и опорную лампы 3 и 4 соответственно. Лампа 3 питается напряжением первого управляемого источника 31, а лампа 4 - напряжением второго управляемого источника 32.

Чередующиеся во времени световые излучения опорной и измерительной ламп 4 и 3 поступают по волоконным световодам 33 и 34 соответственно на первый и второй оптические входы фотоприемника 35. На его третий электрический вход поступает неизменное постоянное напряжение источника стабилизированного напряжения 36. Преобразователь ток-напряжение 37 преобразует токовый сигнал указанного приемника в потенциальный, пропорциональный световым потоком Фот и Фит ламп 4 и 3 соот ветственно.

Спустя некоторое время т.зо после включения опорной лампы 4 открывается импульсом Us, поступающим на шестой вход блока 2 с пятого выхода блока управления 1, элемент выборки-хранения 39. В итоге на выходе указанного элемента 39 формируется и сохраняется до прихода следующего коммутирующего импульса напряжение, пропорциональное световому потоку Фоч опорной лампы 4.

Спустя некоторое время гу после включения измерительной лампы 3 открывается импульсом Ua. поступающим на пятый вход блока 2 с третьего выхода блока управления 1, элемент выборки и хранения 38. На время действия указанного импульса замыкается петля системы регулирования интенсивности света этой лампы. Сигналом ошибки системы служит выходное напряжение блока вычитания 40. Этот сигнал поступает далее через корректирующую цепь 41 и усилитель 42 на управляющий вход первого управляемого источника напряжения 31. В итоге соответствующим образом меняется напряжение питания лампы 3 и излучаемого этой лампой светового потока Фи1, поступающего через световод 34 на второй вход фотоприемника 35.

В изготовленном образце использованы фоторезисторы СФЗ-1, светопроводя- щие мононити с диаметром 0,45 мм, в качестве опорной лампы - миниатюрная лампа накаливания СММН9-60-2, в качестве измерительной - галогенная лампа накаливания КГМ12-10. Длительность включения ламп - 4 с.

На фиг. 5 представлена зависимость выходного напряжения фотометрического устройства от коэффициента пропускания контрольных дымчатых стекол, калиброванных при Я 790 нм на фотоколориметре КФК-3. Дрейф выходного напряжения в нуле - 0,1 В за 8-часовой прогон.

Формула изобретения 1. Фотометрический дискриминатор, содержащий опорную и измерительную машины накаливания, оптический аттенюатор, измерительную ячейку на пути излучения измерительной лампы, фотоприемник и выходную клемму, отличающийся тем. что, с целью повышения точности, в него введены блок управления, блок автоматического регулирования интенсивности света, соединенный третьим, четвертым и пятым входами соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока управления, последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, вход которого подключен к выходу фотоприемника, фиксирующая цепь, детектор, первый элемент выборки-хранения и блок вычитания, выход которого подключен к выходной клемме, волоконный световод, связывающий дополнительный оптический вход фотоприемника с оптическим аттенюатором, установленным на пути излучения опорной лампы, последовательно соединенные мультивибратор и двусторонний ограничитель, выход которого подключен к электрическому входу фотоприемника, второй и третий элементы выборки-хранения, инвертор, потенциометр, усилитель и источник напряжения, выходом подключенные через потенциометр к другому входу блока вычитания и выходу второго элемента выборки хранения, один вход которого соединен с выходом детектора, а другой вход подключен к пятому входу блока управления, одному входу третьего элемента выборки-хранения и шестому входу блока автоматического регулирования интенсивности света, первый и второй оптические входы которого установлены на пути света, а первый и второй выходы подключены соответственно к измерительной и опорной лампам, при этом средний вывод потенциометра через усилитель подключен к другому входу третьего элемента выборки- хранения, выход которого соединен непосредственно с вторым входом и через инвертор - с третьим входом двустороннего ограничителя, и выход мультивибратора

подключен к входу блока управления, четвертый выход которого соединен с упругим входом первого элемента выборки-хранения.

одновибраторов и трех элементов ИЛИ-НЕ, выходы которых являются соответственно третьим, четвертым и пятым выходами блоками управления, при этом первый и второй выходы делителя частоты являются соответственно первым и вторым выходами блока управления и подключены соответственно через первую и вторую дифференцирующие цепи, элемент ИЛИ и второй одновиб- ратор к одним входам второго и третьего

элементов ИЛИ-НЕ, выход второй дифференцирующей цепи подключен через первый одновибратор к одному входу первого элемента ИЛИ-НЕ, другой вход которого соединен с другим входом второго элемента ИЛИ-НЕ, и с первым выходом делителя частоты, второй выход которого подключен к другому входу третьего элемента ИЛИ-НЕ.

вычитания, корректирующая цепь, усилитель и первый управляемый источник напряжения, выход которого является первым входом, а второй вход - третьим входом этого блока, источник стабилизированного

напряжения, выходом подключенный к третьему входу фотоприемникэ, второй элемент выборки-хранения, включенный между выходом преобразователя ток-напряжение и другим входом блока выпитания, второй управляемый источник напряжения, вход и выход которого являются соответственно четвертым входом и вторым выходом этого блока, пятым и шестым входами которого являются другие входы первого и второго элементов выборки-хранения

соответственно.

Фие.2

% А/

Фиг.З

Ut

П

а

п п п п

L г/

А

П

п

Г

П

п

Фиг1

Utoa,t 6

го to ffo во fo r,%

Фиг.5