Двухволновый фотометр

 

ДВУХВОЛНОВОЙ ФОТОМЕТР, содержащий источник излучения, оптически связанный с двумя монохроматорами , переключатель монохроматоров с подключенным к нему генератором тактовых импульсов, который соединен с установочным входом счетчика, кюветное отделение, оптически связанное с фотоприемником, соединенным с пороговым устройством, выход которого II 1 й fet v:ijrtJjA через элемент И соединен со счётным входом счетчика, отличающи йс я тем, что, с целью повьппения точности измерений, в него введены оптический разделитель, второй фотоприемник , дифференциальный усилитель, генератор опорной частоты, а также последовательно соединенные цифровой регистр, цифроаналоговый преобразователь и интегратор, при этом оптический разделитель установлен между монохроматором и кюветным отделением и оптически связан с вторым фотоприемником , который подключен к входу дифференциального усилителя, причем генератор опорной частоты подключен к второму входу элемента И, цифровой (Л регистр подключен к вьгходу счетчика, а выход интегратора соединен с вторым входом дифференциального усилителя , выход которого по/ключен к источнику излучения, генератор тактовых импульсов соединен с входами синхронизации генератора опорной частоты, о: цифрового регистра и интегратора. О9 ел г

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

4(51) С Ol J 1 44

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3579!17/24-25 (22) 15.04 83 (46) 23.06.85. Бюл. Р 23 (72) Б.И.Чигирев (71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (53) 535.242(088,8) (56) 1. Андреев В.К. и др. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. Л., "Машиностроение", 1981, с. 11 .

2, Авторское свидетельство СССР

И 568849, кл. G 01 Х 1/10, 1975. (54)(57) ДВУХВОЛНОВОЙ ФОТОМЕТР, содержащий источник излучения, оптически связанный с двумя монохроматорами, переключатель монохроматоров с подключенным к нему генератором тактовых импульсов, который соединен с установочным входом счетчика, кюветное отделение, оптически связанное с фотоприемником, соединенным с пороговым устройством, выход которого

ÄÄSU;;Ä 1163159 А через элемент И соединен eo счетным входом счетчика, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точ-. ности измерений, в него введены оптический разделитель, второй. фотоприемник, дифференциальный усилитель, генератор опорной частоты, а также последовательно соединенные цифровой регистр, цифроаналоговый преобразователь и интегратор, при этом оптический разделитель установлен между монохроматором и кюветным отделением и оптически связан с вторым фотоприемником, который подключен к входу дифференциального усилителя, причем генератор опорной частоты подключен к второму входу элемента И, цифровой. регистр подключен к выходу счетчика, а выход интегпатора соединен с вторым входом дифференциального усилителя, выход которого подключен к источнику излучения, генератор тактовых импульсов соединен с входами синхронизации генератора опорной частоты, цифрового регистра и интегратора.

1163159

Изобретение относится к фотометрии, а именно к области построения двухволновых фотометрических устройств для анализа состава структуры и качества различии веществ. 5

Известны приборы, предназначенные для анализа состава исследуемых веществ, содержащие источник излучения, монохроматор, фотоприемник и регистрирующее устройство, Эти приборы строятся по нулевой, разделительной или фазометрической схемам (1) .

Недостатками этих устройств являются изменение мощности излучения при изменении длины волны, предостав-1 ление результата измерения отдельно для каждой волны, а также недостаточные стабильность и точность, Наиболее близким к изобретению по технической сущности является двухволновой фотометр, содержащий источник излучения, оптически связанный с двумя монохроматорами, переключатель монохроматоров, кюветное отделение, оптически связанное фотоприемником, соединенным с пороговым устройством, выход которого через элемент И соединен со счетным входом счетчика, а также генератор тактовых импульсов, подключенный к переключа- ЗО телю монохроматоров и установочному входу счетчика, кроме того, в устройство входят восстановитель постоянной составляющей, эталонный поглотитель и переключатель эталонного поглотителя (2 .

Недостатками известного устройства являются низкая точность измерений за счет формирования на выходе разности (а не отношения ) коэффи- 4g циентов пропускания исследуемого ве-. щества на ананитической и эталонной длинах"волн, влияние отличий в спектральной чувствительности фотоприемника, погрешности установки 45 эталонного поглотителя, различия в мощности светового потока на выходе монохроматоров, а также погрешности восстановителя постоянной составляющей и других факторов. 50

Целью изоб,.етения является повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в двухволновой фотометр„ содержащий источник излучения, оптически связан- 55 ный с двумя монохроматорами, переключатель монохроматоров с подключенным к нему генератором тактовых импульсов, который соединен с установочнь1м входом счетчика, кюветное отделение, оптически связанное с фотоприемником, соединенным с пороговым устройством, выход которого через элемент И соединен со счетным входом счетчика, введены оптический разделитель, второй фотоприемник, дифференциальный усилитель, генератор опорной частоты, а также последовательно соединенные цифровой регистр, цифроаналоговый преобразователь и интегратор, при этом оптический разделитель установлен между монохроматором и кюветным отделением и оптически связан с вторым фотоприемником, который подключен к входу дифференциального усилителя, причем генератор опорной частоты подключен к второму входу элемента И, цифровой регистр подключен к выходу счетчика, а выход интегратора соединен с вторым входом дифференциального усилителя, выход которого подключен к источнику излучения, генератор тактовых импульсов соединен с входами синхронизации цифрового регистра, интегратора и генератора опорной частоты.

На чертеже представлена структурная схема двухволнового фон"ометра, !

Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, источник 2 излучения, оптически связанный через первый монохроматор 3 на аналитическую длину волны или через второй монохроматор 4 на эталонную длину волны с оптическим разделителем 5, С оптическим разделителем 5 связаны один фотоприемник 6 и через кюветное отделение 7 другой фотоприемник 8, который подключен к входу порогового устройства 9, выход которого соединен с первым входом элемента И 10, Второй вход элемента И 10 подключен к выходу генератора l! .опорной частоты, и выход соединен со счетным входом счетчика 12, который подключен к последовательно соединенным цифровому регистру 13, цифроаналоговому преобразователю 14, интегратору 15 и дифференциальному усилителю 16. К второму входу дифференциального усилителя

16 подключен второй фотоприемник 6, а выход дифференциального усилителя

16 соединен с источником 2 излучения.

Монохроматоры 3 и 4 связаны с переключателем 17 монохроматоров, вход

3 1163159 4 которого соединен с генератором 1 так- на второй фотоприемник 6, ко горым товых импульсов и подключен к входам преобразуется в электрический сигнал. синхронизации интегратора 15, циф- Так образуется отрицательная обратрового регистра 13, генератора. 11 ная связь, в контур которой включен опорной частоты и установочному входу один из оптических каналов устройстсчетчика 12. ва. Дифференциальный усилитель 16, Устройство работает следующим об- входящий в контур отрицательной образом. ратной связи, формирует на выходе

Генератор I тактовых импульсов сигнал, который управляет величиной формирует последовательно во времени fQ светового потока источника 2 излудва тактовых импульса, которые по- чения так, чтобы в каждый момент вреступают на вход переключателя 17 мо- мени разность сигналов на входах дифнохроматоров, входы синхронизации ин- ференциального усилителя 16 была тегратора 15, цифрового регистра 13, минимальная, генератора 11 опорной частоты и íà f5 Если обозначить световой поток с" установочный вход счетчика 12. В пер- длиной волны я на входе оптическо1 вом такте работы устройства переклю- го разделителя 5 через Ф (f! т) тогда о( чателем 17 монохроматоров в оптичес-, часть потока, падающего на второй фокий тракт вводится первый монохрома- топриемник 6, будет К2(Э,)7 (Щ где тор Зна аналитическуюдлину волны A ° 2О k (g ) — коэффициент деления свето2 а во втором такте - второй монохрома- вого потока оптическим разделителем 5 тор 4 на эталонную длину волны в направлении второго фотоприемника

С приходом первого тактового им- 6. Другая часть светового потока про- пульса в цифровом регистре 13 устанав- ходит оптический разделитель 5 и па:ливается код N заранее заданного 25 дает на кюветное отделение 7. Эта числа, Этот код поступает на вход часть потока будет К,(Я<)! (g„t) . Коцифроаналогового преобразователя 14, эффициент, (,) определяет часть который формирует на выходе сигнал потока < (а,,1), проходящего оптичес.»

1!1=0 1

l4 при подаче на его вход макси- пропускания кюветы с исследуемым ве- мального кода И . Напряжение с вы-.- ществом для данны волны h обознахода преобразователя 14 поступает чить через 2 (ф,), то на фотоприемна вход интегратора 15, в котором ник 8 падает световой поток К (. h ) и

1 11 с приходом тактового импульса начи- «<<.(р,1<Р (ф t).Ôîòîïðèeìíèêè 8 и 6 фор35

<) о <у нается процесс интегрирования. На мируют соответственно электрические выходе интегратора 15 формируется сигналы напряжение Un (t)=vft/T где Т вЂ” пои< < стоянная времени интегрирования, а

<Р<(< = <(<«(1<<1К<(3<) (9<,1) (2) — текущее значение времени. Под= (!<р,(2<„<} =б (g,) К (,)g (g) ставив в последнее выражение значение U получаем где б< (<,} и 62, a,) — чувствительность (<, ) =. U N t /N T (1) соответственно фотоприемников 8 и 6

Г<1 O для излучения С Ъ 1 .

Сигнал с выхода интегратора 15 При большом коэффициенте усиления поступает на второй вход дифферен- 4э дифференциального усилителя 16 (при циального усилителя 1:6, на первый работе в зоне устойчи !, устойчивости !, который вход которого поступает сигнал с выхода второго фотоприемника 6. Раз- ной связи можно связи, можно считать, что сигнаность входных сигналов усилиьается лы на входах усилителя 16 равны, т.е. дифференциальным усилителем 16 и 5О (1 (з„-!) = 0„ (4). Учитывая последнее выпоступает на источник 2 излучения.

Сигнал на выходе дифференциального n,(, ) д

Часть светового потока от источника "<р,(Я="о "о!о,(S,)-.(,) К () t/ (4)

2 излучения, пройдя монохроматор 3, оптический разделитель 5, поступает /н..(),(,>.

1163159

После срабатывания порогового уст-1S ройства 9 на его выходе формируется сигнал, который поступает на первый вход элемента И 10 и закрывает его.

На второй вход элемента И 10 поступают счетные импульсы с частотой сле- 20 дования f с генератора 11 опорной частоты, Генератор 11 начинает свою работу с приходом на вход синхронизации тактового импульса с генератора 1. тактовых импульсов. Поэтому 25 число импульсов п, прошедших элемент И 10 в первом такте, равняется n<=fzt< или, учитывая (5), получим (6) - " "(>к (>) зо

h, (1о "о (М" (>,) «(e 1 л

С приходом переднего фронта тактового,импульса на установочный вход счетчика 12 в нем устанавливается ну-3S левой код. Импульсы с. выхода элемента И 10 поступают на счетный вход счетчика 12, поэтому в первом такте в счетчике 12 будет записан код числа п, которое характеризует оптичес-49 кне свойства вещества на длине волны а< После окончания первого такта код числа и> переписывается из счетчика 12 в цифровой регистр 13.

Во втором такте в оптический ка-. нал вводится монохроматор 4 на эталонную длину волны hz . Записанный в цифровом регистре 13 код числа и поступает на вход преобразователя

14, на выходе которого формируется сигнал Пг= п10 /И . Этот сигнал поступает на вход интегратора 15, на -выходе которого формируется линейно изменяющееся напряжение V„ (С)

- U t/T или, подставив значение U получим

Unz(t) = Uon,t/N т (7) 55

Линейно изменяющееся напряжение (%, т, ) с выхода фотоприемника 8

Cl поступает на вход порогового устройства 9. В момент времени t< после начала первого такта напряжение, S

0 (ф, 1,) становится равным пороговому напряжению U и пороговое устройство 9 срабатывает, поэтому можно написать 11„=U< (а„> t, ). Учитывая последнее отношение и выражение (4), находим

fs)

l,-lJ„N„T5,(,) k,(ъ,1/u, N,s,(q,1". (, к, (,) Выражение (7) получено аналогично выражению (1 ) и все входящие в него обозначения определены.

Во втором такте, как и в первом, в устройстве действует контур отрицательной обратной связи, в который входят те же элементы, т.е. источник 1 излучения, оптический канал, включающий второй монохроматор 4,оптический разделитель 5, фотоприемник 6, дифференциальный усилитель 16.

На выходе дифференциального усилителя 16 формируется сигнал, корректирующий световой поток источника 1 излучения так, чтобы сигнал на выходе фотоприемника 6 соответствовал сигналу на втором входе дифференциального усилителя 16.

На выходах фотоприемников 8. и 6 во втором такте сигналы соответственно будут

"у,(г4= й. ".(з,) к,(з у,(,,1,); (8) 4 ) г(,) г(З,) . (SÄt), (9) где 5, (я )и 5 (Д- чувствительность соответственно фотоприемников 8и 6 д д ao Hb а гу

k<(y )и К (p 1- коэффициенты деления светового потока оптическим разделителем 5 в направлении фотоприемника 6 и кюветного отделения 7; л

"(8z) — коэффициент пропускания исследуемого вещества на эталонной длине волны;

W(3 () — световой поток,па2I дающий на оптический разделитель 5.

Вследствие воздействия контура отрицательной обратной связи сигналы на входах дифференциального усилителя 16 равны, т.е. (l< (Z, tj = 0„(®)

Из последнего соотношения и выражений (7 1 и (9) находим

,(,ф-0,n„t/й тg,(,1к,(,1.

Подставиви полученное выражение в (8 ), получаем

Ц 0„6,(ФДК,(Ф ):(>) (103

" н„ть,(9,3 K,(,)

Сигнал с выхода фотоприемника 8 поступает на вход порогового устрой

7 1163 ства 9, которое срабатывает в момент времени t после начала второго такта.

Для этого момента времени выполняется соотношение U„-(1,1,(ъ, (,). Учитывая это равенство и выражение (!О), находим

4,=(1„МТ9 (9 )1,(,)!n,0 6,(Ф )К,(Ъ,Д(, С приходом переднего фронта второ-1О го тактового импульса на вход синхронизации счетчика 12, в последнем устанавливается нулевой код. На счетный вход счетчика 12 через элемент И 10 поступает число импульсов и =f t.» 15 поскольку генератор 11 опорной частоты начинает формировать счетные импульсы с приходом тактового импульса.

Учитывая два последних выражения, находим . 20

0,=,U„N 75,(a,)Õ,(а,)/

/ n„0, ý„(ú,) v„(q ) (qД

Подставив в полученное выражение значение n » из (6), получаем !

»!О я(hã.) Ì .),(>z),Р») (э»)

И =

РФ а1 () 1 » Р а) К, (,) (М

Я (Ъ2) где 0 ="очаг(Ì Ú(Ì я(М »Р,) (/ s,(, ь,(,3s,(,)k,Ü, постоянный коэффициент, который выбо- 35 ром Nð можно установить равным единице.

Считая "r(s»)=, и ьФ » = ., где ркоэффициент пропусканк". исследуемого объекта, который находится во внеш- 40 ней среде с коэффициентом пропускания »,, найдем и =а С . Таким образом, на счетчик 12 во втором такте поступает число импульсов и прямо пропорциональное отношению коэффици- 4 ентов пропускания исследуемого вещества на двух длинах волн. Информация со счетчика 12 может быть счита.на после окончания второго такта работы устройства. И На работу предложенного устройства не влияют: величина постоянной времени Т интегратора 15, напряжение Un порога срабатывания порогового устройства 9, частота f генератора опорной частоты, напряжение U0 и код

N преобразователя 14. Кроме того,,за счет двухлучевой оптической схемы159 8 и введения в устройство отрицательной обратной связи, в контур которой включен д;»н из оптических каналов, на результат измерения не влияет зависимос чу:ствительности фотоприемников от длины волны излучения и разница в световых потоках формируеl мых на двух длинах волн.

Рассмотрим коэффициент а в конечном выражении для п . В этот коэффициент входит отношение спектральных чувствительностей фотоприемников 6 и 8. Введем обозначение В=& (,)/5,(g,) для длины волны Ъ» . Будем считать, что фотоприемники 6 и 8 одного типа, тогда на длине волны 3 их чувствительность, например, возрастает соответственно на t5 и д 5» поэтому можно написатьб (а != В,(!,)»бил (ф) = эг(1,) д5

Следовательно, на длине волны 9g коэффициент В изменится на д В и станет равным В + дВ =(a,(ф„ ) д9Я/)S»(ô,)»ae,), Найдем относительную погрешность изменения В как О В = д В/В 5»(ô,)(?г(») д»э,) 35 - 5»

5, Ь,) 5 (э,1» д 6») 1». 8 5»

rge85„=66 »(Ми г= j,9 (g<(h„) носительные погрешности изменения чувствительности соответственно фотоприемников 8 и 6 при изменении длины волны излучения.

Известное устройство построено по однолучевой оптической схеме, поэтому в нем работает один фотоприемник, у которого при изменении длины волны изменяется чувствительность на д 5 =5(ф )-6(Ц. Относительная погрешность измерения 5 5 = 5/ 5 (9»)

Из сравнения выражений для 3В и рб видно, что предложенное устройство имеет меньшую погрешность определения отношения спектральных коэффициентов пропускания исследуемого вещества по сравнению однолучевой оптической схемой. Это следует из того, что в числителе выражения для 3 В стоит разность погрешностей, а знаменатель больше единицы, поэтому

8 0 (8»р > если S5 = 5 6, .

В предложенном ус.ройстве за счет введения контура отрицательной обратной связи световые потоки регулируются по заданной зависимости.

На обоих длинах волн эти потоки непрерывно при измерении контролируются уже на выходе монохроматоров ц люСо ст авит ель С, Неномнящая

Редактор Т,Кугрышева ТехредM.Ãåðãåëü Корректор E.Рошко

Заказ 4095/40 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 1163 бой возникающий разбаланс устраняется с быстродействием, определяемым элементной базой устройства. Необходимо только, чтобы фотоприемник 6, входящий в контур отрицательной обратной связи, обладал линейной энергетической характеристикой фототока.

Второй фотоприемник 8 работает всегда в одной точке этой характеристики, соответствующей формированию сигнала,fO равного порогу .срабатывания порого159 10 ного элемента 9, поэтому линейность энергетической характеристики фототока для него не имеет значения, Предложенное устройство формирует на выходе цифровой эквивалент отношения коэффициентов пропускания на двух длинах волн. При этом в процесс аналого-цифрового преобразования включен оптический канал, что также повышает точность, измерений по сравнению с известным устройством.