Двухволновый фотометр

 

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано для определения состава, свойств и структуры веществ. Изобретение позволяет сократить время измерений за счет параллельного определения двухволновых свойств вещества путем создания возможности одновременного облучения его на двух длинах волн с использованием результата измерения на одной длине волны для управления мощностью излучения на другой длине олны. 1 ил. §

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 С 01 J 1/44

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

00 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3815694/24-25 (22) 23.11,84 (46) 23.06.86, Бюл. У 23 (71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (72) Б.И.Чигирев (53) 535.242(088.8) (56) Перегуд Е.А. и др. Инструмен.тальные методы контроля загрязнения атмосферы. Л.: Химия, 1981, с. 36.

Авторское свидетельство СССР

В 1163159, кл. С 01 J 1/44, 1983.

„„SU,, 1239524 А1 (54) ДВУХВОЛНОВОЙ ФОТОИЕТР (57) Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано для определения состава, свойств и структуры веществ. Изобретение позволяет сократить время измерений за счет параллельного определения двухволновых свойств вещества путем создания возможности одновременного облучения его на двух длинах волн с использованием результата измерения на одной длине волны для управления мощностью излучения на другой длине, волны. 1ил.

1239524

Изобретение относится к фотометрин и касается двухволноных фотометрических устройств для определения состана, свойств и структуры различных веществ, особенно при использовании методик, связанных с проведением исследований н процессе кинетических реакций.

Ile b изобретения — сокращение времени измерений.

На чертеже представлена структурная схема двухволноного фотометра.

Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, подключенный к входу первого дифференциального усилителя 2, первый фотоприемник 3.

Выход первого дифференциального уси-! лителя 2 соединен с первым источником 4 излучения, который оптически связан через первый монохроматор 5, например, на аналитическую длину волны, с первым оптическим разделителем

6. Один выход первого оптического разделителя 6 связан через первую кювету 7 с фотоприемником 3, а второй выход связан с вторым фотоприемником 8 ° Первый фотоприемник 3 подключен к одному входу второго дифференциального усилителя 9, выход которого соединен с вторым источником 10 излучения, который оптически связан с вторым монохроматором 11, например, на эталонную длину волны.

Второй монохроматор 11 связан с вторым оптическим разделителем 12, один выход которого через вторую кювету 13 связан с третьим фотоприемником 14, подключенным к второму входу второго дифференциального усилителя 9. Второй выход. оптического разделителя 12 связан с четвертым фотоприемником 15, подключенным к регистратору 16.

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 опорного напряжения формирует сигнал, который поступает на нход первого дифференциального усилителя 2, на второй вход которого поступает сигнал с второго фотоприемника 8. Разность сигналов, усиленная первым дифференциальным усилителем 2, поступает на первый источник 4 излучения. Сигнал на выходе первого дифференциального усилителя 2 должен быть достаточной мощности, чтобы уп:ранлять величиной лучистого потока

1 I

)первого источника 4 излучения. Лучис- тый поток первого источника 4 излу-! чения поступает на первый монохроматор 5, с помощью которого выделяется излучение, например, с аналитической

5 длиной волны h . После первого моно1 хроматора 5 лучистый поток Ф„(1,) падает на первый оптический раздели" тель 6. Часть К лучистого потока

<Р (3 ) пройдет первый оптический раз ь делитель 6 в направлении первой кюветы 7. Если обозначить для длины волны h, коэффициент пропускания первой кюветы 7 с находящимся в ней исследуемым веществом через О, ), то на первый фотоприемник 3 поступит лучистый поток К,Ф.(h,)с(h,). На выходе первого фотоприемника 3 будет . сформирован электрический сигнал V, v, = s,(4,)К,7(М,) (h,), (1)

20 где S, (4,) — чувствительность первого фотоприемника 3 к излучению с длиной волны 1,, Другая часть К лучистого потока Р,(4„) пройдет первый оптический разделитель 6 в направлении второго фотоприемника 8 и будет им преобразо" вана в электрический сигнал Ч

S (A )К,,(h ), () где 5 (l,) — чувствительность второго фотоприемника 8 к излучению с длиной волны h, Сигнал с выхода второго фотоприемника 8 поступает на вход первого дифференциального усилителя 2. В устройстве образован первый оптоэлектронный канал отрицательной обратной связи, в который входят источник 1 опорного напряжения, первый дифференциальный усилитель 2, вто= рой фотоприемник 8 и первые источник

4 излучения, монохроматор 5, оптический разделитель 6. Поскольку при достаточно балыком коэффициенте усиления первого дифференциального усилителя 2, который работает в зоне устойчивости, т.е. без самовозбуждения, можно считать, что сигналы на

его входах равны, можно записать:

V =V%, (3) где Ч, " сигнал, формируемый источником 1 опорного напряжения.

За счет воздействия первого оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи стабилизируется мощность лучистого потока, падающего на второй фотоприемник 8, а значит и на первую кювету 7. Если мощность из1239524 4,лучения, падающего на второй фотоприемник 8, отличается от той, которая необходима для формирования сиг" нала V., удовлетворяющего равенство ф Ф (3), то на выходе первого дифференциального усилителя 2 формируется сигнал, корректирующий мощность лучистого потока первого источника 4 излучения. Следовательно, изменяется и поток 1,(Л,) на выходе первого 10 монохроматора 5 так, чтобы часть потока, поступающего на второй фотоприемник 8 была достаточной для формирования последним электрического сигнала в соответствии с равенством 15 (3). Поскольку коэффициенты деления лучистого потока К,, и К первым оптическим разделителем 6 являются постоянными величинами, не зависящими от P (h,), то на первую кювету 7 по- 20 ступит стабилизированный по мощности лучистый поток.

На основании выражений (2) и (3) можно найти P (h,) = V, /K S (h„) °

Подставив полученное значение лучис- И того потока в выражение (i), запишем

<о 81(Л1)к >(h<)/K S<(h ) (4)

Сигнал с выхода первого 4ютопри. емника 3 поступает на вход второго дифференциального усилителя 9, с вы- 30 хода которого усиленный сигнал достаточной мощности подается на второй источник 10 излучения, который формирует .лучистый поток, поступающий на второй монохроматор 11. На выходе второго монохроматора 11 выделяется

35 лучистый поток с длиной волны,, например эталонной, мощность которого обозначим через Р,(М ). Часть

К, лучистого потока Р (Д ) пройдет второй оптический разделйтель 12 и поступит на вторую кювету 13. Во второй кювете 13 находится то же исследуемое вещество, что и в кювете 7.

Обозначим коэффициент пропускания второй кюветы 13 с находящимся в ней исследуемым веществом для излучения с длиной волны h через 7 (Л ). Лучистый поток после прохождения второй кюветы 13 падает на третий фотоприем50 ник 14, на выходе которого формируется электрический сигнал V, который можно записать по аналогии с выражением (1) в следующем виде:

v3 — Sç (Л,)кз ".(1 ) (,) (5) где S э (Д ) — чувствительность третьего фотоприемника 14 к излучению с длиной волны

С выхода третьего фотоприемника

14 сигнал поступает на второй вход второго дифференциального усилителя

9. Образуется второй оптоэлектронный контур отрицательной обратной связи в который входят первый фотоприемник

3, второй дифференциальный усилитель

9, вторые источник 10 излучения, монохроматор 11, оптический разделитель 12, кювета 13 и третий фотоприемник 14..Первый оптоэлектронный контур отрицательной обратной связи связан с вторым через оптический канал, включающий первый оптический разделитель 6, первую кювету 7 и фотоприем ник 8. При достаточно больаом коэффициенте усиления второго дифференциального усилителя 9 (в зоне устойчивой работы) можно считать, что сиг-налы на его входах равны между собой, т.е. з (6)

За счет воздействия второго оптоэлектронного контура отрицательной обратной связи стабилизируется мощность излучения с длиной волны h так, чтобы сигналы первого фотоприемника 3 и третьего фотоприемника 14 были равны, т.е. выполнялось равенство (6). Опорным сигналом во втором оптоэлектронном контуре отрицатель ной обратной связи служит сигнал с выхода первого фотоприемника 3, который пропорционален оптическому свойству исследуемого вещества на длине волны.), . Если равенство (6) наруюилось, на выходе второго дифференциального усилителя 9 формирует" ся сигнал, изменяющий мощность.лучистого потока с длиной волны, такого знака и величины, чтобы соотноае" ние (6) выполнялось.

Обозначим через К часть лучистого потока "P, (. ), которая проходит через второй оптический разделитель

12 в направлении четвертого фотопри» емника 15. На его выходе формируется электрический сигнал

v „ tc,s,(h g P(h,), (7) где S (h ) - чувствительность четвертого фотоприемника 15 к излучению с дличой волны Л

Подставив в выражение (5) равенст во (6), найдем: Р. (h ) = VÄ /Кз8эх

x l "",,) (Л,). Подставйв последнее вы- . ражение в (7), получим: .!

v,. = v, к,s,(h,)/ê,s,(A,)t(h,) () 1239524, Подставив в выражение (S) формулу (4), получим:

V. - ar(A,)/i(4,), (9) где а = Ч, K„K 8 (Л,)$ (Л-)/K,K,В х х (Л,)8з (a ) .

В выражении (9) коэффициент а является постоянной величиной, поскольку ни один из сомножителей не зависит от i (Л ) или t ((). Регулировкой 1р значения Ч, этот коэффициент можно . установить, например, равный единице.

Сигнал с четвертого фотоприемника

15 поступает на регистратор 16, с которого с.;нтывается результат измерения. В качестве регистратора 16 может служить самопишущий или стрелочный прибор, цифровой регистратор или иное устройство, регистрирующее электрический сиги щ. 20

Источниками 4 и 10 излучения в предлагаемом устройстве могут служить лампы накаливания, светодиоды или другие источники лучистой энергии.

В качестве фотоприемников 8, 3, 14 25 и 15 могут использоваться фотоэлектрические преобразователи с линейной энергетической характеристикой фототока, например фотодиоды. устройство позволяет регистриро- 3р вать не только отношение коэффициентов пропускания исследуемого вещества на двух длинах волн, но и отношение. его коэффициентов рассеяния. Для этого первый Э и третий 14 фотоприем-з ники должны быть установлены под необходимым углом к соответствующим кюветам 7 и 13, чтобы на фотоприемники 3 и 14 падал рассеянный лучистый роток.

Двухволновой фотометр позволяет уменьшить время измерения оптических свойств вещества за счет одновременного облучения этого вещества на

45 двух длинах волн без затрат времени на переключение монохроматора. При этой сохраняется высокая точность измерения эа счет воздействия оптоэлектронных контуров отрицательной 50 обратной связи. Функционирование этих контуров обеспечивает получение результата измерения без дополнительных вычислительных процедур, что также уменьшает время измерения.

Применение идентичных фотоприемников, особенно первого 3 и второго 8 фотоприемников, а также третьего 14 и четвертого 15 фотоприемников соответственно значительно уменьшает погрешность измерения, которая может возникнуть за счет изменения чувствительности при колебаниях температуры или изменениях длины волны лучистых, потоков. Это связано с тем, что чувствительности фотоприемн зв присутствуют в коэффициенте а выважения (9) как в числителе, так и в знаменателе соответственно.

Формула изобретения

Двухволновой фотометр, содержащий последовательно установленные и оптически связанные источник излучения, первый монохроматор, оптический разделитель, кювету и первый фотоприемник, второй фотоприемник, оптически связанный с выходом оптического разделителя и подсоединенный к одному из входов дифференциального усилите" ля, выход которого соединен с исто4ником излучения, второй монохроматор и регистратор, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью сокращения времени измерений, он снабжен источником опорного напряжения, вторым источником излучения, оптическим разделителем, кюветой и дифференциальным усилителем, а также третьим и четвертым фотоприемниками, причем источник опорного напряжения подключен к другому входу первого дифференциального усилителя, второй источник излучения через второй монохроматор оптически связан с вторым оптическим разделителем, один выход которого через вторую кювету оптически связай с третьим фотоприемником, а другой — с четвертым, подключенным на входе регист-. ратора, выходы первого и третьего фотоприемника подключены к входам второго дифференциального усилителя, а выход последнего - к входу второго источника излучения.

1239524

Составитель С.Непомнящая

Техред Й. Попович Корректор Л. Пилипенко

Редактор Н.Тупица

Тирам 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 3386/40 Производственно-полиграфическое предприятие, r.укгород, ул.Проектная, 4