Спектрофотометр

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к спектрофотометрии, и может быть использовано для измерения спектральных коэффициентов пропускания веществ. Цель изобретения - повышение точности фотометрических измерений и расширение динамического диапазона устройства. Спектрофотометр содержит источник 1 излучения, монохроматор 2, набор селективных светофильтров 3, набор нейтральных ослабителей 4, светоделитель 5, кюветное отделение 6, приемно-усилительный блок 7, устройство 8 обработки данных, устройство 9 индикации, схему сравнения. Схема сравнения включает компараторы 10 и 11. Имеются также источник 12 опорных напряжений, схемы И 13 и 14, сервопривод 15, датчик 16 нейтральных ослабителей, схема И 17. Приемно-усилительный блок 7 содержит фотоприемник, усилитель, синхронный переключатель, регулятор усиления, содержащий генератор импульсов, две схемы И, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИН

<5у 4 G 01 J 3/42

ГОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А8ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4299733/24-25 (22) 25.08.87 (46) 23.10.89. Бюл. У 39 (72) В.И.Лагутин и Н.Я,Миндлин (53) ° 535.8 (088.8) (56) Тарасов К.И. Спектральные приборы, -М.: Машинос роение, 1980, с. 245, Авторское свидетельство СССР

У 577410, кп, G 01 J 3/42, 1977. (54) СПЕКТРОФОТОМЕТР (57) Изобретение относит<:я к оптическому приборостроению, в частности, к спектрофотометрии, и может быть использовано для измерения спектральных коэффициентов пропускания веществ.

Цель изобретения — поньш|ение точности фотометрических измерении и расширение динамического диапазона уст„„SU„„1516803 A 1

2 ройства. Спектрофотометр содержит источник 1 излучения, монохроматор

2, набор селективных светофильтров

3, набор нейтральных ослабителей 4, светоделитель 5, кюветное отделение 6, приемно-усилительный блок 7, устройство 8 обработки данных, устройство 9 индикации, схему сравнения.

Схема сравнения включает компараторы

10 и 11. Имеются также истрчник 12 опорных напряжений, схемы И 13 и 14, сернопривод 15, датчик 16 нейтраль- 21 ных ослабителей, схема И 17. Приемноусилительный блок 7 содеря<ит фотоприемник, усилитель, синхронный переключатель, регулятор усиления, содержащий генератор импульсов, две схемы И, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь. 2 ил.

3 151 с

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к спектрофотометрии, и может быть использовано для измерения спектральных коэффициентов пропускания различHbIx веществ °

Цель изобретения — повышение точности фотометрических измерений и расширение динамического диапазона устройства.

На фиг. 1 изображена схема ус.тройства; на фиг. 2 — схема приемноусилительного блока.

Спектрофотометр состоит из источника 1 излучения, монохроматора 2

"о сканирующим устройством, набора 3 елактивных светофильтров для устранения высших порядков дифракции и уменьшения уровня мешающего излучения с механизмом смены селективных светофильтров, набора 4 нейтральных ослабителей для ослабления потока излучения, поступающего на фотолриемник, светоделителя 5 для разделения потока на два, кюветного отделения Ь, приемно-усилительного блока 7, устройства 8 обработки данных, устройства 9 индикации, схемы сравнения, со держащей два компаратора 10 и 11, источника опорных напряжений 12, схем И 13 и 14, сервопривода 15, датчика 1Ь нейтральных ослабителей, схемы И 17. Приемно-усилительный блок (фиг. 2) включает фотоприемник 18, усилитель 19, синхронный переключатель 20 и регулятор 21 усиления, содержащий. генератор 22 импульсов, схемы И 23 и 24, реверсивный счетчик 25, цифроаналоговый преобразователь 26 и резистор 27. Выходы 28 и 29 светоделителя 5 связаны с входами 30 и 31 приемно-усилительного блока 7. Выходы 32 и 33 приемно-усилительного блока 7 связаны с входами 34 и 35 устройства 8 обработки данных, o держащего цифровое вычислительное устройство с цифроаналоговым преобразователем. Выход устройства 8 обработки данных связан с входом 36 устройства 9 индикации.

Выход 32 приемно-усилительного блока 7 также связан с входом 37 компаратора 10 и входом 38 компаратора

11. Входы 39 компараторов 10 и 11 связаны с выходами 40 и 41 источника

12 опорных напряжений U< и Ug, Выход комларатора 10 соединен с входом

42 приемно-усилительного блока 7 и

6803 нены с выходами 32 и 33 ПУБ 7 (фиг. 1).

Вход 42 ПУБ 7 соединен с входом 67 ячейки И 23 регулятора 21 усиления (фиг. 2).

Вход 48 ПУБ 7 (фиг. 1) соединен с входом 68 ячейки И 24 регулятора 21 усиления (фиг. 2). Выход генератора 22 регулятора 21 усиления соединен с входами 69 ячеек И 23 и 24.

Выход ячейки И 23 соединен с входом

70 реверсивного двоичного счетчика

25. Выход ячейки И 24 соединен с входом 71 реверсивного двоичного счетчика 25. Информационные выходы реверсивного двоичного счетчика 25 соединены с информационными входами ЦАП 26.

Выход 72 реверсивного двоичного счетчика 25 соединен с выходами 49 ПУБ 7 (фиг ° 1). Выход 73 реверсивного двоичного счетчика 25 (фиг. 2) соединен с выходом 51 ПУБ 7 (фиг. 1).

55 входом 43 ячейки И 13, Выход компаратора 11 соединен с входом 44 ячейки И 14 и входом 45 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей.

С осью сервопривода 15 механически связан датчик 16 нейтральных пс.— лабителей. Выход 46 датчика 16, соответ твующий сигналу установки ослабителя Н3 набора 4 с наименьшим значением коэффициента ослабления, соединен с. входом 47 ячейки И 14.

Выход ячейки И 14 соединен с входом

48 приемно-усилительного блока 7.

Выход 49 приемно-усилительного блока 7 соединен с входом 50 ячейки И

13, Выход 51 приемно-усилительного блока 7 соединен с входом 52 блока 9 индикации. Выход ячейки И 13 соединен входом 53 сервопривода 15 и входом

54 ячейки И 17. Выход 55 датчика 16, соответствующий сигналу установки ослабителя из набора 4 с наибольшим значением коэффициента ослабления, соединен с входом 56 ячейки 17, Выход ячейки И 17 связан с входом 57 блока 9 индикации.

Схема приемно-усилительного блока (ПУБ) показана на фиг. 2.

30 Выход фотоприемника 1 8 связан с

" входом 58 усилителя 19 и через резистор 27 с выходом 59 ЦАП 26. Выход усилителя 19 соединен с входом 60 ЦАП

26 и входами 61 и 62 синхронного пе35 реключателя 20.

Входы 30 и 31 ПУБ 7 соединены с входами 63 и 64 синхронного переключателя 20 (фиг. 2). Выходы 65 и Ь6 синхронного переключателя 20 соеди5 15168( (:пектрофотометр работает следующим образом.

Поток излучения от осветителя 1 поступает на вход монохроматора 2.

После монохроматора поток поступает

5 на один из селективных светофильтров набора 3, обеспечивающих устранение высших порядков дифракции и уменЬшение уровня мешающего излучения 10 и далее на один из нейтральных осла-бителей набора 4, ослабляющих поток излучения и вводимых в поток сервоприводом 15. После нейтрального ослабителя поток поступает в светоде- 15 литель 5 и разделяется на два потока

С и P где С вЂ” поток канала сравнения, P — поток рабочего канала. Оба потока проходят кюветное отделение 6 и поступают в ПУБ 7. На выходе последнего 20 формируются два электрических сигнала, один из них пропорционален потоку излучения в канале сравнения — Ц, вторрй пропорционален потоку в рабочем канале Up. Оба сигнала поступают 25 на устройство обработки данных (УОД)

8, содержащее цифровое вычислительное устройство с аналогово-цифровым преобразователем. Затем информация поступает в устрой(тво 9 индикации, где отображается и документируется.

Пля выравнивания сигнала в канале сравнения при сканировании по спектру электрический сигнал, соответствующий каналу сравнения, с выхода 32

ПУБ поступает на компараторы 10 и 11.

В компараторе 10 сигнал сравнивается со стабилизированным напряжением U источника 12 опорного напряжения, соответствующим наибольшему допустимому значению сигнала канала сравнения.

В компараторе 11 сигнал сравнивается со стабилизированным напряжением

U источника 12 опорного напряжения,. соответствующим наименьшему допусти45 мому значению сигнала канала сравнения.

Разница между U, и U определяется границами допустимых изменений сигнала сравнения. Если уровень сигнала

U превышает U<,то на выходе компаратора 10 формируется напряжение, поступающее на вход 42 ПУБ 7 и на вход

43 ячейки И 13. С входа 42 ПУБ 7 (фиг. 2) сигнал поступает на вход 67 ячейки И 23, выполняющей роль ключа, который в этом случае пропускает импульсы генератора 22, поступающие на вход 69 ячейки И 29, на суммирующий

>3 6 вход 70 реверсивного двоичного счетчика 25. При этом код на его выходах увеличивается и поступает на входы цифроаналогового преобразователя 26, увеличивая коэффициент деления выходного напряжения усилителя 19, поступающего через резистор 27 на его вход в виде отрицательной обратной связи, что приводит к уменьшению коэффициента усиления усилителя 19. В итоге уменьшается сигнал, поступающий на вход синхронного переключателя 20.

Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение

Uр,. .Если система достигла минимального коэффициента усиления, а соотношение Ue П(сохраняется, то на выходе 72 реверсивного двоичного счетчика 25 формируется сигнал его переполнения, который поступает на выход 49 ПУБ 7 (фиг, 1) и далее на вход 50 ячейки И 13. На вход ячейки

И 13 будет поступать сигнал с выхода компаратора 10. С выхода ячейки И 13 сигнал поступает на управляющий вход

53 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей и на вход 54 ячейки

И 17. Сервопривод 15 вводит в поток излучения более плотные нейтральные ослабители из набора 4, уменьшая его до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение U U Если введен в поток излучения наиболее плотный пс— лабитель из набора 4, а условие U, сБ(не выполнено, с выхода 55 датчика

16 сигнал поступает на вход 56 ячейки

И 17 и с ее выхода на вход 57 устройства 9 индикации, информируя о том, что поток излучения превышает допустимый уровень, и приемно-регистрирующая система вышла за верхний предел линейного участка амплитудной характеристики. Если уровень U 2 Б, то на выходе компаратора 11 формируется напряжение, поступающее на вход 44 ячейки И 14 и на вход 45 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей. При этом сервопривод 15 вводит в поток излучения менее плотные ослабители из набора 4, увеличивая его до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение (1 р

При введении наименее плотного ос:— лабителя на выходе 46 датчика 16 формируется сигнал, поступающий на вход

47 ячейки И 14. Если в этом случае соотношение U ) U< не выполняется, и на вход 44 ячейки И 14 поступает сиг1516803 наг с компаратора 11, то с выхода ячейки И 14 сигнал поступает на вход

48 ПУБ 7. С входа 48 ПУБ 7 (фиг. 2) сигнал поступает на вход 68 ячейки И

24, выполняющей роль ключа, который в этом случае пропускает импульсы генератора 22, поступающие на вход 69 ячейки И 24, на вычитающий вход 71 реверсивного двоичного счетчика 25.

При этом код на его выходах уменьшаетс.я и поступает на входы цифроаналогового преобразователя 26, уменьшая коэффициент деления выходного напряжения усилителя 19, поступающего че— рез резистор 27 на его вход в виде отрицательной обратной связи, что приводит к увеличению коэффициента усиления усилителя 19, В итоге увеличивается сигнал, поступающий на вход синхронного переключателя 20.

Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение 0 w U ° Если система достигла наибольшего коэффициента усиления, -, а соотношение ос ) П не выполняется

У то на выходе 73 реверсивного двоичного счетчика 25 формируется сигнал нуля, который поступает на выход 51

ПУБ 7 (фиг. 1) и далее на вход 52 устройства 9 индикации, информируя о том, что поток излучения ниже допустимого уровня, при котором отношение сигнал — шум ниже допустимого.

В качестве примера конкретного выполнения рассмотрим, например, УВИспектрофотометр.

Осветитель 1 (фиг. 1) представляет собой лампу накаливания со стабилизированным блоком питания; монохроматор 2 — щелевой монохроматор, собранный, например, по схеме Фасти набор

3 селективных ослабителей представляет собой турель, в гнездах которой установлены стеклянные или интерференционные светофильтры, механизм поворота турели жестко связан с механизмом развертки спектра и поворачивает турель, вводя фильтры, область пропускания которых соответствует области сканируемого спектра; набор 4 нейт-5О ральных ослабителей — турель, в гнезда которой установлено 13 нейтральных ослабителей, значение спектральных коэффициентов пропускания которых сос.— тавляет 0,012; 0,025; 0,05; 0,1: 0,2; 55

5C,0Х, при этом одно 14-е гнездо турели является пустым отверстием и соответствует с:пектральному ко. ффипиенту пропускания 1007. Светодепитель 5 может быть реализован на базе вращающегося зеркального модулятора, который с помощью системы зеркал направляет лоток попеременно то в рабочий канал кюветного отделения 6, то в канал сравнения кюветного отделения 6, ось зеркального модулятора жестко связана с ос.ью генератора опорных напряжений.

ПУБ 7 может быть реализован на базе следующих элементов согласно фиг. 2: фотоприемник 18 — фотоумножитель или фотодиод; усилитель 19 — операционный усилитель 544УД1; синхронный переключатель .20 — аналоговые ключи 590КМ5, генератор 22 и ячейки И 23 и 24 — на микросхеме 155ЛАЗ; реверсивный двоичный счетчик 25 — микросхема 155ИЕ7; цифроаналоговый преобразователь 26 микросхема 572 ПА1.

Устройство 8 обработки даннйх (фиг. 1) — цифровое вычислительное устройство с аналого †цифров преобразователем, Устройство 9 индикации— цифровое табло или дисплей. Компараторы 10 и 11 — по микросхеме 554СА3.

Источник 12 опорных напряжений обычный стабилизированный источник постоянного напряжения.

Ячейки И 13, 14 и 17 — на микросхеме 155ЛАЗ.

Сервопривод 15 включает в себя шаговый двигатель типа llPA-3 и блок управления двигателя.

Датчик 16 состоит из двух оптронных пар, диод излучающий — фотодиод иэ дис ка с радиальной прорезью, ось которого связана с осью сервопривода 15.

Предлагаемое устройство позволяет исключить ошибку выравнивания сигнала эталона из погрешности фотометрии, так как фотометрические величины вычисляются относительно фактического сигнала эталона; обеспечить воэможность осуществления оптимального выбора логической схемой одного иэ двух механизмов для выравнивания по спектру сигнала сравнивания в зависимости от необходимости увеличения ипи уменьшения его для введения в зону допустимых значений, что способствует улучшению отношения сигнал — шум; увеличить диапазон допустимых значений изменения потока излучения, которые не выводят сигнал сравнения эа пределы линейного участка характеристики

1516803

l0 приемно-усилительного блока за счет достижения большего по «равнению с фотометрическим клином диапазона изменения коэффициентов пропускания на5 бора неитральных ослабителей, введения регулируемого коэффициента усиления усилителя, введения зоны допустимьж значений сигнала сравнения соотУ ветствующих линейному участку характе1

10 ристики приемно-усилительного блока.

Все эти свойства позволяют достигнуть цель изобретения — повышение точности фотометрических измерении.

Предлагаемый спектрофотометр за: ° 1 15 счет непосредственной стабилизации сигнала в канале сравнения, учитывающей временные изменения характеристик монохроматора, источников и приемников излучения введение образцов

У 20 в канал сравнения при дифференциальных измерениях и т.д., позволяет га" рантированно обеспечить измерения в пределах линейной части амплитудной характеристики приемно-регистрирующей 2

25 системы и тем самым уменьшить погрешность фотометрической шкалы до 0,1 7, а также, используя дифференциональный метод, расширить диапазон измерений в обпасть малых значений коэффи30 циентов пропускания без ухудшения отношения сигнал — шум.

Формула изобретения

Спектрофатоме тр, содержащий оптически связанные источник излучения, монохроматор с механизмом сканирования, светоделитель для направления потока излучения попеременно в канал сравнения и в рабочий канал; компенсационный узел с сервоприводом, приемно-усилительный блок, содержащий

40 фотоприемник, усилитель и синхронный переключатель, а также устройство обработки данных, устройство индикации, источник опорного напряжения и схему

45 сравнения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности фотометрических измерений и расширения динамического диапазона устройства, введены регулятор усиления, датчик нейтральных ослабителей,механически связанный с компенсационным узлом, первая, вторая и третья схемы И и набор селективных светофильтров, размещенный между монохроматором и светоделителем и механически связанный с механизмом сканирования монохроматора, при этом компенсационный узел выполнен в виде набора нейтральньм ослабителей, регулятор усиления включает генератор импульсов, две ячейки

И, вторые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, первые входы являются соответственно первым и вторым входами регулятора усиления, реверсивный счетчик, входы которого соединены с выходами ячеек И, и цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, источник опорного напряжения имеет два выхода, схема сравнения состоит из двух компараторов, причем инвертирующий вход первого компаратора подключен к первому выходу источника опорньж напряжений, неинвертирующий вход второго компаратора подключен к второму выходу источника опорных напряжений, неинвертирующий вход первого компаратора и инвертирующий вход второго компаратора — к первому выходу синхронного переключателя, выход второго компаратора соединен с первым входом первой схемы И и вторым входом сервопривода, выход первого компаратора соединен с первым входом регулятора усиления и с вторым входом второй схемы И, выход первой схемы И соединен с вторым входом регулятора усиления, первый вход второй схемы И соединен с выходом переполнения реверсивного счет— чика, выход второй схемы И подключен к первому входу сервопривода и второму входу третьей схемы И, первый вход которой соединен с вторым выходом датчика нейтральных ослабителей, а выход — с третьим входом устройства индикации, первый выход датчика нейтральных ослабителей соединен с вторым входом первой схемы И, нулевой выход реверсивного счетчика соединен с вторым входом устройства индикации, первый вход которого подключен к выходу устройства обработки данных, первый и второй входы устройства обработки данных соединены соответственно с первым и вторым выходами синхронного переключателя, первый и второй входы синхронного переключателя соединены с. выходом усилителя и первым входом цифроаналогового преобразователя, выход которого через резистор соединен с входом усилителя и выходом фотоприемника, а третий и четвертый входы синхронного переключателя соединены с вторым и первым выходами светоделителя.

1516803

Фиг.2

Составитель Б.Ульянов

Редактор Е.Папп Техред А. Кравчук

KoPPeKrop Т.Палий

Заказ 6376/40 Тирах 466 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ухгород, ул. Гагарина, 101