Автоматический фотометр Советский патент 1981 года по МПК G01J1/44 

1

Изобретение относится к измерительой технике и может быть использовано ля измерения коэффициента пропускания света полупрозрачных срел (газо- j бразных, жимких, твердцлх) .

Известен автоматический фотометр, содержащий источник излучения, кювету, оптический ослабитель, фотоприемник и схему электрической автокомпен- |Q.

сации l3 .о

Омнако поскольку обратная связь на ослабитель в подобньвс устройствах осуиествляется механически или электромеханически, они являются мел пеинодействующими. Это не позволяет иссле- « довать и1тические характеристики с быстро меняаоадикюся во времени характеристиками .

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является ав- томатический фотокютр pj содержащий источник излучения с системой пространственного сканирования, nmpму, разделяющую сканируемое пространство на измерительную и эталонную зоны, кювету для исследуемой сроиы и подстроечный оптический ослабитель , помещенные в измерительной зояе, фотоприемник, включенный на входе схемы электрической автокомпен- з

сации разбаланса и генератор временной развертки сканирующего луча реглируемой длительности, один из входов которого подключен к выходу схемы синхронизации. По второму входу осуществляется, регулирование длительности разверки при исходной настройке автоматического фотометра, предшествующей измерениям. На одну из половин экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) наносится непрозт рачная маска. Смещаясь относительно ее по вертикали в направлении, перпендикулярном .-временной развертке ЭЛТ, сканирующий луч доходит до такого положения, когда регистрируемые энергии в измерительном (Э) и эталонном (Эз-) каналах становятся равны

э 31 н J V

- э

у - сила света источника изделучения;

4 - коэффициент пропускания света исследуемой среды;

t;fc - время, в течение которо го сканирующий луч находится в зонах измерительного и эталонного каналов соответственно. Отсюда длинд развертки, про ходимая световым пят ном на экране ЭЛТ вн маски в .эталонном ка нале при балансе эне гий; длина развертки, про ходимая световым пят ном на экране ЭЛТ в измерительном канале скорость сканировани лучом поверхности эк рана ЭЛТ. При отсчете измеренного значения коэффициента светопропускания среды определяют ампдитуду напряжения отклонения луча на выходе схекы автоко пенсации разбаланса М k, где k - коэффициент .пропорциональное ти. Недостатком устройства является снижение точности измерения в широком диапазоне оптических плотностей исследуемых сред, связанное с применением ЭЛТ для двумерного сканирования пространства по вертикали и горизонтали. Возникновение указанного недостатка объясняется тем, что изме нение дефокусировки изображения светового пятна на экране ЭЛТ, его энер гии и-конфигурации при совместном смещении пятна на горизонтали и вертикали, обусловленное астигматизмом отклоняющей системы, приводит к нару шению начального баланса схемы, дост гаемого подстроечнЕЖ ослабителем при нулевом вертикальном отклонении лини развертки. Кроме того, нелинейность отклонения луча по вертикали и изменение ео в процессе эксплуатации при водит к возникновению погрешности измерения, связанной с градуировкой шкалы прибора. - Цель изобретения повьпиение точности измерения. Указанная цель достигается тем, что в известном автоматическом фотометре, содержащем источник излучения с системой пространственного сканирования, ширму, разделяющую сканируе мое пространство на измерительную и эталонную зоны, кювету для исследуемой среды и подстроечный оптический ослабитель, помещенные в измерительной зоне, фотоприемник, вк ооченный на входе схемы электрической автоком пенсации разбаланса, к генератор вре менной развертки сканирующего луча регулируемой длительности, один из входов которого подключен к выходу схемы синхронизации, второй вход генератора временной развертки подсоединен к схемы электрической автокомпенсации разбаланса. На,фиг. 1 приведена блок-схема автоматического фотометра; на фиг. 2 -. пример реализации схемы электрической автокомпенсации разбаланса. Автоматический фотометр содержит источник 1 излучения, схему 2 пространственного сканирования, ширму 3, кювету 4 для исследуемой среды, подстроечный ослабитель 5, оптические линзы 6 и 7, поворотные зеркала 8 и 9, фоточувствительный элемент 10, генератор 11 временной развертки светового луча, схему 12 электрической автокомпенсации разбаланса, схему 13 синхронизации. Интенсивный источник 1 излучения (например оптический квантовый генератор непрерывного излучения) служит для создания светового потока при Фотометрировании исследуемой среды. Схема 2 предназначена для одномерного пространственного сканирования светового луча в заданных пределах по закону, определяемому подаваемым на ее вход управляющим сигналом. Схема может быть реализована в виде высокочастотного (малоинерционного) зеркального гальванометра, зеркальце которого освевдается источником 1. Вход схемы 2 соединен с выходом генератора 11 временной развертки. Ширма 3, выполненная в виде непрозрачного экрана, устанавливается перед источником излучения, служит для разделения сканируемого пространства на зоны,соответствукицие измерительному и эталонному каналам. Кювета 4 для исследуемой размещается в зоне измерительного канала. Ослабитель 5 предназначен для начальной баланс.ировки обоих каналов при отсутствии в измерительном канале кюветы. Оптические линзы б и 7 фокусируют световое ,излучение, которое направляется поворотными зеркалами 8 и 9 на светочувствительную поверхность фотоэлемента 10. Фоточувствительный элемент 10 (например фотоумножитель) преобразует световой поток в электрический сигнал. Выход его соединен с одним из входов схемы 12. Генератор 11 предназначен для формирования сигнала развертки луча,, длительность которого tpB момент баланса энергий (эй Эд) определяется алгоритмом работы, описываемым уравнениемрм+ Лэ Р и э tpiM | ti,+ t3. tg-, при Э„ ЭэИг) I tH+ э;н и+ при Э , Э. - Обозначение соответст,где t вующего момента времени. Генератор может быть реализован в виде последовательного соединения ши ротно-импульсного модулятора и интег ратора. Вход .модулятора подключен к схеме 13 синхронизации Выход генератора соединен со входом схемы2 одномерного сканирования. Схема 12 управляет работой генера тора 11 в соответствии с уравнением, аналогичным (2) . при Э и V Э,.; + , при э„ г Эд, у УЛ i-i- ри Эи э где Uj , - выходное напряжение схемы 12 в соответствующий момент времени. Схема предназначена для электрическсэй автокомпенсации разбаланса из мерительного и эталонного каналов. Длительность импульсов tp пропорциональна напряжению Где т коэффициент пропорциональнос ти. Один из входов схемы 12 соединен с выходом схемы 13 синхронизации, второй вход подключен к фотоэлементу 10. Выход cxeivBii автокомпенсации подключен ко второму входу генератора 11. Схема электрической автокомпенсации разбаланса содержит ключевую схе му 14, генератор 1 -ступенчатого напряжения (ген), реверсивный счетчик (РСЧ) 16, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 17, схему 18 опрвделения знака разбаланса (СОЗ), сумматор 19, широтно-импульсный модулятор (ЮИМ) 20, интегратор 21. Ключевая схема 14 служит для упра ления прохождением импульсов синхронизации на вход ГСН 15. Один из схемы соединен свыходом схемы синхронизации 13, второй вход - с вы ходом СОЗ 18. Выход кл1 чевой схемы подключен ко входу генератора 15 сту пенчатого напряжения. При нулевом сигнале на выходе схемл определения знака разбаланса ключевая схема разо кнута, при ненулевом сигнале - замкнута. . Схема 15 предназначена для формирования ступенчатого напряжения, управляющего перестройкой длительности генератора 11 временной развертки. Выход схемы соединен с одним из входов сумматора 19. ГСН реализован в в де последовательногчэ соединения реве сивного счетчика.16 и ЦАП 17. Управл ние режимом работы генератора (ступенчатое нарастание или спад напряжения) осуществляется в зависимости от знака выходного сигнала СОЗ 18 в соответствии с уравнением ГЧ4.Ч п- Р« S : гл.ч М гЬч Р« з 6, при УЗ О, где Up- , и + ч напряжение -й и (i + 1)-й ступеньки на выходе ГСН; и - напряжение на выходе СОЗ 18; 1 - уровень сигнала логической единицы. Напряжению Uq 1 соответствует направление прямого счета входных импульсов РСЧ, и -1 - обратного счета. Схема 18 служит для фОЕМИрования сигналов, управляющих перестройкой ГСН. Алгоритм ее работы определяется уравнением при Э Эу О, при Ээ 3j,; -I при Эд Э, Где О - уровень логического нуля. Устройство может быть реализовано. с применением двух интеграторов, вычисляющих значения Э и Эк, схек&з вычитания и логических схем типа ИЛИ И-НБ. Выход схема соединен с ним из входов РСЧ 16. / Сукматор 19 предназначен сложения опорного напряжения Uo с формируемЕял на выходе ГСН сигналом. Выходное напряжение сумматора I и « UQ - I.ri4i ® входа .оря соединенны с выходами .ЦАП 17 и источником опорного напр{1жения. Выход сумматора подключен ко входу BfflM 20. Схема 13 служит мпя синхронизации работы автоматического фотометра. Ее выход соединен со входами генератора ,11 временной развертки (с одним из входов ДИМ 20) и сх&ыа 12 автокомпенсации (с одним из входов ключевой схеы 14), Устройство раротает следующим образом. В исходном состоянии, соответствующем отсутствию юоветы 4 с исследуемой средой в измерительном канале, луч света источника 1 периодически сканируется схемой 2 в определенном угловом секторе пространства. Оптическое изображение источника света, сфокусированное линзами 6 и 7 и на-, правленное зеркалаьт 8 и 9 на. фотоэлемент 10, осуществляет одномерное сканирование его светочувствительной плотиадки. Подстроечный ослабитель 5 находится в. таком положении, :при котором энергии Ээ и Эц равны.

При этом сигнал разбаланса, формиру, еьалй СОЗ 18 (фиг. 2), равен нулю. Ключевая схема 14 разомкнута. Напряжение на выходе ГСН равно нулю. Под действием опорного напряжения UQ широтно-И1Й1ульсный модулятор 20.Ьормкрует импульсы длительностью tp. Напряжение на выходе интегратора 21 Имеет ФО1МИУ пилообразного сигнала той же длительности Время t пребывания светового пятна в измерительно зоне равно t3njMJ установке кюветы 4 в измерительном канале баланс энергий светового потока нарушается: Эд Э|д. В соответствии с алгоритмом работы СОЗ 18 (уравнение 5) на ее выходе вырабатывается сигнал 1, реверсивный счетчик 16 переключается в направление прямозто счета. Ключевая схема 14 замыкается, последовательность импульсов с выхода схемы 13 синхронизации поступает на вход РСЧ 16 и преобразуется с помощью ЦАП 17 в ступенчатое нарастающее напряжение полярность которого противоположна и. Ступенчатое уменьшающееся напряжение на выходе сумматора 19 преобразуется с помощью DJHM 20 и интегратора 21 в последовательность пилообразных импульсов уменьшающейся длительности развертки луча. Уменьшение происходит до тех пор, пока в соответствии с уравнением (2) не будет .достигнут баланс энергий. Выходное напряжение СОЗ 18 становится равным нулю, ключевая схема 14 размыкается. При этом выходное напряжение схемы 12 электрической автокомпенсации (фиг. 1) на выходе cy Ф aтopa 19 в соответствии с уравнением (1) оказывается пропорциональным измеряемому параметру.

увеличении прозрачности исследуемой среды равенство энергий световых потоков нарушается Эд Э,- В соответствии с уравнением 5) на выхде СОЗ, 18 формируется сигнал 1. Ключевая схемА 14 закшкается, РСЧ 16 переключается в направлении овратного счета. Напряжение на выходе ТЯАП начинает снижаться, на выходе румматора 19 - нарастать. Этому соответствует увеличение длителыости развертки на выходе генератора 11. В момент баланса энергий выходной сигнал СОЗ 18 равен О . Ключевая схема 14 размыкается, длительность развертки становится равной , соответствующей изменившемуся коэффициенту пропускания J . При этом напряжение на выходе сумматора 19 U k1,

В дальнейшем при изменении оптической плотности исследуемой среды процесс перестройки происходит аналогичным образом .

Предлагаемый фотометр позволяет повысить точность измерения, в особенности, при широком диапазоне изменения оптических толщин исследуемых сред. Это достигается благодаря тому, что полностью устраняются погрешности связанные с дефокусировкой луча, нелинейцостью смещения луча по вертикали и т. д. Одновременно с этим повышается надежность работы и упрощается схема фотометра, так как отсутствует, необходимость применения электронно-лучевого индикатора. В свою очередь, это приводит к тому, что за счет упрощения источника излучения и схемы сканирования его стоимость снижается.

Формула изобретения

Автоматический фотометр, содержащий источник излучения с системой пространственного сканирования, агарму, разделякадую сканируемое пространство на измерительную и эталонную зоны, кювету для исследуемой среды и подстроенный оптический ослабитель помещенные в-измерительной зоне, фотоприемник, включенный на входе схеки электрической автокомпенсации разбаланса, и генератор временной развертки сканирующего луча регулируемой длительности, один из входов которого подключен к выходу схемы синхронизации, отличающи йс я тем, что, с целью повышения точности измерения, второй вход генератора временной развертки подсоединен к выходу схема электрической автокомпенсации разбаланса.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Литвак В.И.: Фотоэлектрические датчики в системах контроля, управления и регулирования. М., Наука, 1966, с. 337.

2.Авторское свидетельство СССР № 275456, кл. G 01 J 1/04, 1970 (прототип).

L

p///y/////y/////x у

V,

Ч

3

Й

выход

/ /

(Put. f 1812