Спектрометр

 

Изобретение относится к спектральному оптическому приборостроению и предназначено для оптической диагностики быстропротекаюадих процессов по параметрам контуров спектральных линий. Цель изобретения - повышение точности измерения. Сущность изобретения в автоматической регули ровке амплитуды и среднего положения колебаний сканирующего зеркала монохроматора 1, соответствующих ширине ре

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СО!.!ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 С О! .! 3/!2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4104795/40-25 (22). I 1.08 ° 86 (4б) 15.11.88, Бюл. Н 42 (72) А,Н,Столяров, В,П,Коваленко и П.A.Òàðàçàíîí (53) 535.8(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

I 811085, кл..G О! J 3/12, 04.04.79.

Дмитриевский О .Д. и др. Скоростная спектрометрия. Успехи физических наук, !958, т.XIV вып.3, с.447-492..

„„SU„„1437688 д1 (54) СПЕКТРОИЕТР (57) Изобретение относится к спектральному оптическому приборостроению и предназначено для оптической диагностики быстропротекающих процессов по параметрам контуров спектральных линий. Цель изобретения — повышение точности измерения. Сущность изобретения в автоматической регулировке амплитуды и среднего положения колебаний сканирующего зеркала монохроматора соответствующих ширине ре1437688 гистрируемого контура спектральной линии на заданном от максимума уровня и максимуму спектральной линии соответственно, Это достигается введением блока 6 выделения максимума спектральной линии, подключенного к выходу фотопреобраэователя, селектора 7 наличия линии, блока 8. коммутации сигналов управления амплитудой сканирования, блока .9, формирования сигнала управления амплитудой сканирования и устройства 10 управления сканированием, выходной сигнал которого через усилитель 12 мощности подается на сканирующую систему монохроматора l, При измерении спек1

Изобретение относится к спектральному оптическому приборостроению и предназначено для оптической диагностики быстропротекающих процессов по параметрам контуров спектральных 5 линий.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг,1 приведена схема спектро-", метра; на фиг.2 - 6-временные диаграммы его работы; на фиг.7 и 8 - истинный и измеренные контуры спектральной линии.

Спектрометр содержит монохроматор

1, сканирующее устройство 2 с зеркалом 3 и электромагнитной системой 4, фотопреобразователь 5, блок 6 выделения максимума линии, селектор 7 наличия линии, блок 8.коммутации сигналов управления амплитудой сканирова". ния, блок. 9 формирования сигнала. управления амплитудой сканирования, устрой =.во 10 управления сканированием, генератор 11 и усилитель 12 мощности..25

Блок 6 выделения максимума линии содержит дифференциатор 13, компаратор 14 с.источником 15 опорного напряжения, компаратор 16 с источником

l7 опорного напряжения, компаратор

18 с источником 19 опорного напряжения и логический элемент 3 ИЛИ-НЕ 20.

Блок 7 наличия линии выполнен на интеграторе 21 и компараторе 22 с источником 23 опорного напряжения, тральной линии цезия на длине волны

682,4 нм к моменту времени Зс предложенное устройство обеспечивает погрешности определения величины максимума интенсивности 2% и определения полуширины контура спектральной линии менее 1, в то время как аналогичные погрешности известного устройства с неизменной настройкой параметров сканирования составляют 50 и 54 . соответственно. В случае отсутствия спектральной линии в пределах сканируемого интервала амплитуда сканирования в предложенном устройстве устанавливается максимальной, 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Блок 8 коммутации сигналов управления амплитудой сканирования содержит логический элемент 24, ключ 25, источник 26 опорного напряжения, резисторы 27 и 28 и ключ 29, Блок 9 формирования сигнала управления амплитудой .сканирования содержит запоминающее устройство 30, делитель 31 напряжения, компаратор 32, интегратор 33, сумматор 34 и источник 35 опорного напряжения.

Устройство 10 управления сканированием содержит интегрирующую цепь 36, аттенюатор 37, запоминающее устройство 38 и сумматор 39.

На фиг.б и 7 обозначены: 40 — истинный контур спектральной линии;

41 — контур спектральной линии, зарегистрированный предлагаемым устройством; 42 — контур спектральной линии, зарегистрированный известным устройством, Спектрометр обеспечивает выполнение своей функции, а именно автоматическую настройку на центр спектральной линии и выбор оптимального диапазона сканирования в два этапа. На первом этапе на сканирующее устройство

2 подается постоянная составляющая напряжения для совмещения середины сканируемого ийтервала с центром регистрируемой линии, а на втором этапе устанавливается величина амплитуды переменного напряжения, подаваемого на

1437688 привод, для приведения ширины скани руемого интервала длин волн в соответствие с шириной регистрируемой линии.

Спектрометр работает следующим образом.

При отсутствии спектральной линии на входе спектрометра на выходе блока 6 имеется постоянный уровень и селектор 7 не срабатывает, т.е. на первом входе блока 8 сигнал отсутствует и аналоговыи ключ 29 закрыт. Так как на входе инвертора 24 сигнала нет, то на его выходе действует высокий уровень выходного сигнала - "1", открывающая аналоговый ключ 25. При этом выходное напряжение источника 26 через резистор 27 поступает на управляющий {первый) вход блока 10, Частота генератора ll не зависит от наличия или отсутствия на входе спектральной линии, а постоянная времени интегрирующей цепи 36 выбирается примерно на порядок больше времени развертки одного спектра, поэтому на выходе блока 10 устанавливается сигнал, определяющий наибольший диапазон развертки спектра в виде управляющего напряжения на сканирующее устройство

2. Электромагнитная система 4 приводит в колебательное движение зеркало 3 вокруг его вертикальной оси, т.е. осуществляется развертка спектра с аммплитудой, задаваемой источником 26, При .появлении в контролируемом участке спектра линии фотопреобразователь 5 с предварительным усилителем преобразует излучение, поступающее на его чувствительный элемент из выходной щели монохроматора 1 в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности этого излучения, Блок 6 выделения максимума спектральной линии обеспечивает выработку нормированного по амплитуде и длительности фронтов импульса, соответствующего центру регистрируемой линии. Входной сигнал фотопреобразователя 5 положительной полярности поступает на инвертирующий вход компаратора 18, на неинвертирующий вход которого подается опорное напряжение порога срабатывания с источника 19, Этот же входной сигнал подается через дифференциатор 13 на инвертирующий вход компаратора 16, на неинвертируюш .й вход,<оторог" по< тупа t огорное напряжение псрога срабатывания с источника 17, а также на неин5 * вертирующий вход компаратора 14 на

Э инвертирующий вход которого поступает опорное напряжение порога срабатывания с. потенциометра 15, Выходные сигналы компараторов 14, 16 и

l8 поступают на входы логического элемента 3 ИЛИ-НЕ 20, и при наличии линии в спсктре излу ения на выходе этого элемента возникает импульс положительной полярности. Диаграмма работы блока 6 показана на фиг.2.

Селектор 7 наличия линии вырабатьг вает сигнал управления при появлении на его входе импульса с выхода блока 6, при этом входной импульс заряжает конденсатор, подключенный к неинвертирующему входу интегратора 21, выходной сигнал которого поступает на неинвертирующий вход компаратора

22, На инвертирующий вход компаратора 22 с источника 23 подается положительное напряжение порога срабатывания, Напряжение порога срабатыва шя выбирается таким, чтобы при поступлении сигнала с выхода блока 6 на вход селектора 7 наличия линии на выходе компаратора 22 поддерживался высокий уровень выходного сигнала в течение двух периодов сканирования (прямого и обратного спектров).Диаг" рамма работы селектора 7 приведена

35 на фиг,3, При поступлении с выхода блока 7 напряжения высокого уровня вследствие появления в спектре линии на выходе инвертора 24 устанавливается напряжение "0" и аналоговый ключ 25 закрывается, а аналоговый ключ 29 открывается, и выходное напряжение бло,а 9 через резистор 28 подается щ

45 первый управляющий вход блока 10, Одновременно с работой селектора 7 по сигналу с блока 6 блок 9 формирования сигнала управления амплитудой сканирования вырабатывает сигнал управления шириной сканируемого спектрального интервала: на управляющий вход входного аналогового ключа аналогового запоминающего устройства 30 приходит импульс, синхронизированный по времени с моментом развертки на выходной щели монохроматора 1 цент ра линии, и максимальное значение сиг нала спектральной линии запоминается аналоговым запоминающим устройством ра диапазона сканирования на центо линии осуществляется путем запоминания аналоговым запоминающим устройством 38 мгновенного значения выходного напряжения генератора 11, прошедшего через аттенюатор 37 и второй вход сумматора 39, в момент прохождения центра линии и далее, подачи заполненной величины напряжения на первый вход сумматора 39, постоянная составляющая выходного напряжения которого через усилитель 12 мощности поступает на сканирующее устройство, вызывая постоянное смещение подвижной части электромагнитной системы 4 и соответственно зеркала 3 до совпадения центра диапазона сканирования с центром спектральной линии. Временные диаграммы работы блока 9, генератора 11 и устройства 10 приведены на фиг.4, 5 и 6, для двух вариантов смещения на центр линии. Таким образом обеспечивается оперативная автоматическая коррекция границ сканируемого спектрального диапазона в соответствии с параметрами контура регистрируемой спектральной линии с одновременной настройкой середины сканируемого интервала на центр линии и то время как в известном устройстве границы сканируемого интервала устанавливаются оператором перед рабоТоН и,затем остаются неизменными,что обеспечивает снижение динамической погрешности.

На фиг,б и 7 приведены сравнительные данные работы предлагаемого и известного устройств при измерении спектральной линии цезия 1=682,4 нм„ полученные к моменту времени измерения

t=3c, Полуширина укаэанной линии однозначно связана с концентрацией свободных электронов, Измеряя концентрацию свободных электронов независимым методом (микроволновым методом по сдвигу фазы электромагнитного излучения цианового лазера), с помощью фораЬ =2 10 Н (1+ЛИ (1-BN т ) где ы,А„ — константы спектральной линии

Т вЂ” температура пламени, была рассчитана фактическая величина полуширины спектральной линии Сэ

= 682,4 нм, В сравнении с этими значе5 1437688

30. Выходное напряжение аналогового запоминающего устройства 30 поступает на делитель 31 и часть его (например, в данном устройстве 0,1 от максимального),попадает на иннертирующий вход компаратора 32. На неинвертирующий вход компаратора. 32 поступает выходное напряжение фотопреобразонателя 5, и на выходе компаратора 32 возникает импульсный сигнал нормированной амплитуды, причем скважность импульсов пропорциональна отношению периода сканирования к времени превышения сигналом фотоприемника задан- lr ного уровня (в данном. случае 0,1 от максимальной амплитуды линии н спек- тре). Сигнал е выхода компаратора 32 через интегратор 33 поступает на вычитающий вход разностного сумматора

34, на суммирующий вход которого подается напряжение с источника 35. Таким образом, при появлении линии- выходное напряжение разностного сумма тора 34 уменьшается пропорциональ- 2S но отношению ширины интервала сканирования к ширине спектральной линии (например, по уровню 0,1).

Если при отсутствии в спектре линии сканирующее устройство 2 осущест- 3р вляет колебательные движения с максимальной амплитудой колебания, величина которой задается источником 26 блока 8, выходное напряжение которого поступает на управляющий вход аттенюатора 37 и однозначно устанавлинает переменную составляющую выходного напряжения блока 10, то при появлении в спектре линии выходное напряжение блока 9 через блок 8 и ин- 4О тегрирующую цепь 36 подается на управляющий вход управляемого аттенюатора 37, который, в свою очередь, уменьшает напряжение, подаваемое на. второй вход сумматора 39, пропорцио- 4> нально величине сигнала с выхода блока 9, т,е. пропорционально отношению ширины линии на заданном уровне 0„1 к ширине сканируемого интервала в данный момент времени, При этом диапазон сканиронания монохроматора уменьшается до требуемой величины, Устройство 10 управления сканированием выполняет функцию выработки сигнала управления, обеспечивающего подстройку центра диапазона сканиронания на центр спектральной линии и ус ганонление оптимальной ширины сканируемого интервала. Подстройка цент7 1437с, киями полуширины были определены фа;— тические погрешности предлагаемого и известного устройств во времени, Таким образом было получено, что к

5 моменту измерения t=3c погрешность определения величины максимальной интенсивности для гредлагаемого устройства менее 2%, а для известного 507, а погрешность определения полуширины 1р контура, обусловленная динамическими искажениями, для предлагаемого устройства составляет менее 17, и для известного — 54Х, 55

15 формула изобретения

1. Спектрометр, содержащий монохроматор со сканирующим устройством, состоящим иэ зеркала и электромагнит- 2р ной системы, фотопреобраэаватель, генератор и усилитель мощности, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены блок вы- 25 деления максимума линии, селектор наличия линии, блок коммутации сиг- налов управления амплитудой сканирования, блок формирования сигнала управления амплитудой сканирования, 3р устройство управления скаиированием, причем вход блока выделения максимума линии соединен с выходом фотопреобразователя, а выход — с входом се. лектора наличия линии, подключенного выходом к первому входу блока коммутации сигналов управления амплитудой сканирования, второй вход которого подключен к выходу блока формирования сигнала управления амплитудой ска-4р нирования, информационный вход которого подключен к выходу фотопреобразователя, а управляющий вход — к выходу блока выделения максимума линии и второму управляющему входу уст- 45 ройства управления сканированием„ первый управляющий вход которого подключен к выходу блока коммутации сиг- налов управления амплитудой сканирования, информационный вход - к вы- 5р ходу генератора, а выход через усилитель мощности — к электрическому входу устройства сканирования, 2. Спектрометр по п,1» о т л и— ч а ю шийся тем, что в нем блок выделения максимума линии содержит дифференциатор, первый компаратори=:очипком опо но; о напряжения на инвертирующем зходе, второй и третий компараторы с источником опорного напряжения на неинвертирующем входе, логический элемент 3 ИЛИ-HE причем инвертирующий вхсд третьего компаратора является входом блока и соединен с входом дифференциатора, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого компаратора и с инвертирующим входом второго компаратора, выходы компараторов соединены с соответствующими входами логического элемента 3 ИЛИ-НЕ, выход которого является выходом блока.

3, Спектрометр по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что в нем блок формирования сигнала управления амплитудой сканирования содержит запоминающее устройство, делитель напряжения, компаратор, неинвертирующий интегратор, раэностный сумматор и источник опорного напряжения, причем управляющий вход запоминающего устройства является управляющим входом блока, а выход через делитель напряжения соединен с инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с информационным входом запоминающего устройства и является информационным входом блока, а выход через неинвертирующий интегратор соединен с инвертирующим входом раэностного сумматора, неинвертирующий вход которого соединен. с источником опорного напряжения, а выход является выходом блока °

4, Спектрометр по.п,1, о т л и— ч а ю шийся тем, что в нем устройство управления сканированием содержит интегрирующую цепь, управляемый аттенюатор, запоминающее устройство и сумматор, причем вход интегрирующей цепи является первым входом устройства, а выход соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора, информационный вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с вторым входом сумматора, первый вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход является выходом устройства и соединен с информационным входом запоминающего устройства, управляющий вход которого является вторым входом устройства, 1437688

1437688

Фиг. .

1437688

1437688 75

ОЛО

Составитель А.Гусев

Редактор А.Пежнина Техред А.Кравчук Корректор М,Демчик

Тираж 499 Подписное

Заказ 5882/40

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. У р д, у . р

Ужго о л. Проектная, 4