Фотометр Советский патент 1982 года по МПК G01N21/27 

Изобретение относится к фотометрии , а именно к фотометрическим устройствам анализа веществ, и может быть использовано для построения фотометрических анализаторов. Один из известных фотометров содержит источник излучения, кювету, фотоприемник и регистратор ij. Недостатком известного устройства является ограниченная точность,Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является фотометр, содержащий функциональный ге-. нератор, подключенный к входу синхронизации генератора счетных импульсов выход которого соединен с одним входом элемента И, выход которого соединен с цифровым регистратором, а другой вход соединен с выходом фотореле, которое через эталонную кювету и оптический разделитель оптически связано с источником излучения, вход которого соединен с выходом устройства управления интенсивностью излучения, причем источник излучения через оптиг ческий разделитель и рабочую кювету оптически связан с фотоприемником 2. Недостатком известного устройства является ограниченная точность измерений оптической плотности веществ из-за нелинейности преобразования сигнала функционального генератора в световой поток. Цель изобретения - повышение точ- ности измерений Указанная цель достигается тем, что в фотометр, содержащий функциональный генератор, подключенный к входу синхронизации генератора счетных импульсов, выход которого соединен с одним входом элемента И, выход которого соединен с цифровым регистратором, а другой вход соединен с выходом фотореле, которое через эталонную кювету и оптический разделитель оптически связано с источником излучения, причем источник излучения через оптический разделитель и рабочую кювету оптически связан с фотоприемнихом, введены дифференциальный усилитель и сумматор, выход которого соединен с входом устройства управле ния интенсивностью излучения, а один вход соединен с выходом функционального генератора и одним входом дифференциального усилителя, другой вхо которого соединен с фотоприемником, а выход - с другим входом сумматора. На чертеже представлена схема фотометраУстройство содержит функциональный генератор 1, подключенный к одному входу дифференциального усилителя 2 и к одному входу сумматора 3 другой вход которого соединен с выхо дом дифференциального усилителя 2, а выход через устройство k управлени интенсивностью излучения соединен с источником 5 излучения. Устройство также содержит оптический разделител 6, кюветное отделение 7С рабочей 8 и эталонной 9 кюветами, фотоприемник 10, установленный за рабочей кюветой 8 и подключенный к другому вхо ду дифференциального усилителя 2, фотореле 11, установленное за эталонной кюветой 9 и соединенное с од ним входом элемента И 12, другой вхо которого соединен с генератором 13 счетных импульсов, вход синхронизаци которого соединен с выходом функционального генератора 1, выход элемента И 12 подключен к цифровому регистраторуУстройство работает следующим образом, Пусть необходимо определить коэффициент пропускания некоторого вещества. В кюветное отделение 7 устанав ливаются кюветы 8 и 9 с рабочим (исследуемым) и эталонными веществами. Пусть рабочая кювета 8 установлена на пути потока, падающего на фотопри емник 10, тогда эталонная кювета 9 должна быть установлена на пути пото ка, падающего на фотореле 11, Выделим в структуре предлагаемого фотометра с цифровым отсчетом два контура. Первый контур - отрицательной обратной связи (ООС) содержит функциональный генератор 1, дифферекциальный усилитель 2, сумматор 3, устройство управления интенсивностью излучения, источник 5 излумения, оптический; разделитель б, оптический канал, включающий рабочую кювету 8 и фотоприемник 10. Второй контур - измерительный - содержит источник 5 излучения, оптический разделитель 6, оптический канал с эталонной кюветой .9, фотореле 11, элемент И 12, генератор 13 счетных импульсов и цифровой регистратор 14. Рассмотрим работу контура отрицательной обратной связи. Пусть на выходе функционального генератора 1 формируется, например, импульсное линейно-нарастающее напЬяжение tJ(,(t) , t-1) где - крутизна линейно-нарастающего напряжения; и. - наибольшее напряжение в момент окончания импульса длительностью Т; t - текущее значение времени, в течение которого формируется очередной сигнал генератора 1 (). Это напряжение поступает на один вход дифференциального усилителя 2 и на один вход сумматора 3. Пройдя через сумматор 3,. сигнал поступает на вход устройства управления интенсивностью излучения. Это устройство регулирует световой поток источниКа 5 излучения, не изменяя спектрального состава светового потока, Регули ровка светового потока источника 5 излучения Может осуществляться электрическим способом, например изменением тока через светодиод или другой излучатель, механическим или иным способом. Линейно-нарастающий во время действия импульса Ur(t) световой поток Фо(1) источника 5 излучения, пройдя оптический разделитель 6, делится на два потока. Один из световых потоков ф(t)(t), где К:,1 - коэффициент деления оптического разде -. лителя 6 для первого потока, поступает в кюветное отделение 7, Поток 0o(t), пройдя через рабочую кювету 8 с коэффициентом оптического пропускания Т/р, уменьшается до величины tip() и падает на фотоприемник 10с линейной энергетической характеристикой фототока (например, фотодиод). Фотоприемник 10, имеющий чувствительность S, преобразует падающий на него .световой поток в электрический сигнал U(j,n(t) (t) 5 .(t)tp, который поступает на первыи вход дифференциального усилителя 2. Если в какой-то момент времени сигнал фотоприемника 10 отличается от напряжения функционального генерэтора 1, то на выходе дифференциального усилителя 2 появляется сигнал рассогласования, усиленный дифференциальным усилителем 2, Этот сигнал поступит на другой вход сумматора 3 в такой полярности, чтобы, изменив сигнал на выходе сумматора 3 посредством устройства управления интенсивностью излучения , идменить световой поток источника 5 излучения. Коррекция Фо(1) приведе к появлению на выходе фотоприемника 10 сигнала, равного в каждый момент времени t сигналу функционального генератора 1, .Причем, чем больше коэффициет усиления дифференциального усилителя 2 (при работе в зоне устойчивости), тем меньше различие между сигналом фотоприемника 10 и Ur(t) поэтому можно записать Uj-(t)U(jjp(t). -Раскрывая значение „(t), получим UrCt)STrpK(l)oCi)..) Равенство сигналов сохраняется независимо от коэффициента пропускания рабочей кюветы 8, Чем меньшеС р , тем больше в каждый момент времени будет световой поток источника 5 излучения. Таким образом, контур ООС стабилизирует световой поток ((t) так, чтобы сигнал на выходе фотоприемника 10 (с линейной энергетической характеристикой фототока) в любой момент времени пренебрежимо мало отличался от сигнала функционального ген ратора 1. Равенство этих сигналов за счет воздействия контура ООС сохраня ется независимо от вида передаточных xapaктepиcтик сумматора 3 и устройства i управления интенсивностью излучения, от функции преобразования управ ляющего воздействия в световой поток источником 5 излучения, от коэффициента пропускания рабочей кюветы 8. При этом контур ООС должен удовлетворять одному условию - время обра- . ботки сигнала рассогласования должно быть много меньше времени формирования сигнала функционального гене ратора 1. Рассмотрим работу измерительного контура. Оптическим разделителем 6 1 формируется второй световой поток Фa(t) iФo(t) где Kg, - коэффициент деления оптического разделителя 6 для второго потока. Этот поток пройдет через кюветное отделение 7 с эталонной кюветой 9 имеющей коэффициент оптического пропускания Таi и поступит на фотореле 11с порогом срабатывания ф... Поскольку второй световой поток, как и первый, формируется из линейно-нарастающего потока Фo(t), то в момент времени t второй световой поток достигнет уровня Ф и фотореле 11 сработает. Срабатывая, фотореле 11 закрывает элемент И 12 по второму его входу. На первый вход элемента И 12 поступают импульсы с генератора 13 счетных импульсов, причем на вход синхронизации этого генератора 13 поступает сигнал с функционального генератора 1, разрешая формирование счетных импульсов синхронно с началом формирования Up(t). Число импульсов N , прошедших элемент И 12 и .поступивших на цифровой регистратор 1, будет пропорционально времени t и частоте f следования счетных импульсов H.-fct, ), Число импульсов N пропорционально отношению , Для момента времени t справедливо отношение ф 0,,(t) или, раскрывая значение ф(и, получим Фп--ГэКаФо . (4) В выражение (k} подставим значение ф-(1), найденное из (2) с учетом того, что . On kxC 9UrCt)/KiSCp45) Выражение (1) подставим в (5) и перепишем полученную формулу относительно t : t K;,SCpфyaK,Tэ Подставив последнее выражение в (3), получим ,1 . ОК. Т Tg Таким образом, число импульсов, зарегистрированное цифровым регистратором 1 k, прямо пропорцнональ- но отношению,, коэффициента пропускания рабочей кюветы 8 к коэффициенту пропускания эталонной кюветы 9. Коэффициент пропорциональности %,,5фп/ /а К в выражении (.6) является величи ной постоянной, поскольку все вхо79дящие в него сомножители постоянны. Предварительной установкой значений fс и а данный коэффициент легко еделать равным, например, тысяче (ста), тогда N,j, будет выражать Тр/Т в дес тых долях процента (процентах). Если, как это обычно принятосчитать, Р ое Гоб коэффициент пропу кания собственно исследуемого объекта, то на выходе устройства получим цифровой код N,|, выражающий в еди ницах коэффициента пропускания с требуемым числом значащих разрядов. В случае перестановки кювет 8 и 9 местами, т.е. установки эталонной кюветы 9 на пути потока 0(t), падающего на фотоприемник 10, а рабочей кюветы 8 на пути потока ф.) падающего на фотореле 11, на выходе фотометра будет зарегистрирован цифровой код, прямо пропорциональный С /Тр (или 1/Tpg), причем коэффициент пропорциональности /а Kj из выражения (6 останется без изменения. Предлагаемый фотометр позволяет получать на вь1ходе цифровой код оптической плотности D исследуемого объекта (D -tgTop), для чего функциональный генератор 1 формировать на выходе импульсный сигнал, величина которого изменяется по закону)-о,„1о-(7; где b - постоянный коэффициент Изобретение позволяет повысить точность измерения за счет введения в его структуру контура отрицательной обратной связи, в который включен один из оптических каналов. При этом диапазон изменения светового потока, падающего на фотоприёмник оптического канала контура отрицательной обратной связи, остается всегда постоянным, т.е. фотоприемник работает 18 в неизменной и ограниченной области энергетической характеристики фототока. Фотореле имеет всего одну рабочую точку Ф на энергетической характеристике, что также уменьшает погрешность измерения по сравнению с известным устройством Формула изобретения Фотометр, содержащий функциональный генератор, подключенный к входу синхронизации генератора счетных импульсов, выход которого соединен с одним входом элемента И, выход которого соединен с цифровым регистратором, а другой вход соединен с выходом фотореле, которое через эталонную кювету и оптический разделитель оптически связано с источником излучения , вход которого соединен с выходом устройства управления интенсивностью излучения, причем источник излучения через оптический разделитель и рабочую кювету оптически связан с фотоприемником, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены дифференциальный усилитель и сумматор, выход которого соединен с входом устройства управления интенсивностью излучения, а один вход соединен с выходом функционального генератора и одним входом дифференциального усилителя, другой вход которого соединен с фотоприемником, а выход - с другим входом сумматора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № , кл, G 01 J 1/ч4, 1976. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 325955, кл. G 01 N 21/27, .03.81 (прототип).