Спектрофотометр

Изобретение относится к спектрофотометрии. Предложен спектрофотометр, включающий источник света, два зональных светофильтра, две кюветы: сравнительную и измерительную, два фотоэлемента, принимающих световые потоки после прохождения сравнительной и измерительной кювет, и измерительную схему, отличающийся тем, что он дополнительно содержит управляемый блок питания источника света и электронную усилительную схему, которая состоит из двух усилителей: интегрирующего и масштабного, соединенных с фотоэлементами, и системы коммутации, предназначенной для переключения усилителей из интегрирующего режима работы на масштабный и обратно, и для передачи выходного сигнала интегрирующего усилителя на управляемый блок питания источника света, а выходного сигнала масштабного усилителя - на измерительную схему. Технический результат - повышение точности измерения и увеличение динамического диапазона измерений. 1 ил.

 

Изобретение относится к спектрофотометрии и может быть использовано в различных областях науки, промышленности и техники, где требуется высокая точность измерений в широком диапазоне концентраций.

Спектрофотометры предназначены для измерения светопропускания (оптической плотности) жидких, твердых и газообразных образцов путем сравнения с эталоном. В зависимости от применяемого метода сравнения известные спектрофотометры можно условно разделить на два вида: 1) спектрофотометры с прямым поочередным измерением оптической плотности двух сред и 2) спектрофотометры, построенные по дифференциальной схеме с одним или двумя фотоэлементами.

В спектрофотометрах с прямым измерением оптической плотности световой пучок от источника света сначала проходит через эталонную кювету, а затем через измеряемый образец с регистрацией разности сигналов. К этому типу приборов относится, например, спектрофотометр СФ-4. Такие спектрофотометры сравнительно просты, но не обладают высокой точностью измерений и не позволяют автоматизировать процесс измерения.

К спектрофотометрам с дифференциальным измерением с одним фотоэлементом относится, например, прибор, выпускаемый в Германии - Specord M-40.

Наиболее близким решением по технической сущности к предлагаемому спектрофотометру является прибор, построенный по дифференциальной схеме с двумя фотоэлементами, состоящий из источника света (лампы накаливания), двух зеркал, двух зональных светофильтров, двух кювет, двух фотоэлементов и электрической измерительной схемы, включающей миллиамперметр и потенциометр (Н.Г.Алексеев, В.А.Прохоров, К.В.Чмутов "Современные электронные приборы и схемы в физико-химическом исследовании". М.: Химия, 1971, стр.462, рис. XIV.31) (прототип). Световой поток от источника света (после зеркал и светофильтров) проходит через кюветы (измерительную и сравнительную) и падает на фотоэлементы. На каждом из фотоэлементов образуется напряжение, пропорциональное его освещенности. Проведя балансировку схемы при одинаковых освещенностях обоих фотоэлементов с помощью потенциометра, по показаниям миллиамперметра следят за изменением оптической плотности среды в измерительной кювете. Чувствительность такого прибора мала, для повышения чувствительности необходимо применение в измерительной схеме усилителей постоянного тока.

Главным недостатком известного спектрофотометра (прототипа) является нестабильность светового потока, особенно при использовании газоразрядных ламп (в том числе безэлектродных). Дело в том, что измеряемая прибором разность световых потоков, прошедших через измерительную и сравнительную кюветы, зависит не только от концентрации исследуемого вещества, но и от величины светового потока, излучаемого источником света. Это связано с тем, что концентрация исследуемого вещества определяется по поглощенной им части (%) от абсолютной величины светового потока, то есть при нестабильном световом потоке при неизменной концентрации исследуемого вещества показания прибора будут разными в зависимости от величины светового потока. Таким образом, нестабильность светового потока является причиной снижения точности измерения, уменьшения диапазона измерения и сужения области применения подобных устройств.

Предпринимались попытки стабилизации светового потока ламп накаливания за счет стабилизации тока, напряжения, мощности лампы (например, заявка РФ №94028496/07, Н 05 В 39/04, опубл. 27.06.1996 или патент РФ по авторскому свид. СССР №1260695, G 01 J 3/10, опубл. 30.09.1986). Однако подобные устройства стабилизации светового потока применимы только для ламп накаливания, к тому же не способны компенсировать изменения, связанные со "старением" лампы или ее заменой.

Другие направления повышения точности измерения и стабильности работы спектрофотометров сводятся к компенсации нестабильности светового потока за счет применения дифференциальных схем сравнения интенсивности опорного (нулевого) светового потока и интенсивности измерительного потока, что неизбежно приводит к усложнению оптической и электронной схем спектрофотометров, а именно к введению обтюраторов, оптических клиньев, поляроидов, систем цифровой обработки сигналов и т.п. (например, патент РФ №2109255, G 01 J 3/18, опубл. 20.04.1998 или известный спектрофотометр Hevlet-Packard 4852 A).

Задачей предлагаемого изобретения является разработка достаточно дешевого, простого в эксплуатации и стабильного в работе спектрофотометра, лишенного главного недостатка прототипа - нестабильности светового потока, что позволит повысить точность измерения и увеличить динамический диапазон измерений. Задачей изобретения является также существенное сокращение времени выхода прибора на рабочий режим, упрощение (а при известном коэффициенте экстинкции и исключение) стадии калибровки. Спектрофотометр должен отличаться высокой стабильностью работы, чтобы не было необходимости его проверки и подстройки в течение длительного времени, что особенно важно при использовании прибора в промышленности и при работе прибора в автоматическом режиме.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым спектрофотометром, включающим источник света, два зональных светофильтра, две кюветы: сравнительную и измерительную, два фотоэлемента, принимающих световые потоки после прохождения сравнительной и измерительной кювет, и измерительную схему, который согласно изобретению дополнительно содержит управляемый блок питания для источника света и электронную усилительную схему, которая состоит из двух усилителей: интегрирующего и масштабного, соединенных с фотоэлементами, и системы коммутации, предназначенной для переключения усилителей из интегрирующего режима работы на масштабный и обратно и для передачи выходного сигнала интегрирующего усилителя на управляемый блок питания источника света, а выходного сигнала масштабного усилителя на измерительную схему.

Согласно закону Ламберта-Бера концентрация исследуемого вещества (С) равна:

C=lnJ0-lnJ1/kL,

где k - коэффициент экстинкции, L - длина кюветы, J0 - величина светового потока, прошедшего через кювету сравнения или непосредственно от источника излучения, J1 - величина светового потока, прошедшего через измерительную кювету. J0 в этой формуле принимается постоянной величиной, тогда как в известных описанных выше спектрофотометрах с нестабильным световым потоком обе величины: и J0, и J1 являются переменными (величина J0 зависит только от яркости свечения лампы, а величина J1 зависит еще и от концентрации вещества в измерительной кювете), что приводит к снижению точности измерения, о чем уже говорилось выше.

Введение в заявляемый спектрофотометр управляемого блока питания для источника света в сочетании с электронной усилительной схемой позволило достигнуть в предлагаемом приборе автоматической стабилизации величины светового потока (J0 или J1), в таком случае концентрация исследуемого вещества будет определяться только величиной измеряемого (нестабилизированного) светового потока: или J0, или J1.

Оптическая схема предлагаемого спектрофотометра представлена на чертеже. Спектрофотометр содержит источник света (лампу) 1, два зональных светофильтра 2, 3, две кюветы: сравнительную 4 и измерительную 5, два фотоэлемента 6, 7, два усилителя 8, 9, систему коммутации 10 и управляемый блок питания лампы 11.

Заявляемый спектрофотометр может работать в двух режимах: в режиме стабилизации сравнительного светового потока (J0) или в режиме стабилизации измерительного светового потока (J1). Режим стабилизации J0 предпочтительнее использовать для измерения более высоких концентраций исследуемого вещества, а режим стабилизации J1 - для измерения малых концентраций.

При любом из двух возможных режимов работы предлагаемого спектрофотометра источник светового излучения 1 (например, безэлектродная ртутная газоразрядная лампа) создает два идентичных световых потока, проходящих через зональные светофильтры 2, 3 и затем: один - через сравнительную кювету 4 (сравнительный или опорный световой поток, J0) и второй - через измерительную кювету 5 (измерительный световой поток, J1), при этом сравнительный световой поток J0 падает на фотоэлемент 6, а измерительный световой поток J1 падает на фотоэлемент 7.

При работе спектрофотометра в режиме стабилизации сравнительного светового потока (J0) система коммутации 10 включает усилитель 8, соединенный с фотоэлементом 6, на который падает J0, в интегрирующий режим работы, а усилитель 9, соединенный с фотоэлементом 7 (на который падает J1), - в масштабный режим работы. Интегрирующий усилитель 8, принимая сигнал фотоэлемента 6, регулирует мощность лампы 1, управляя через систему коммутации 10 блоком питания лампы 11 и поддерживая таким образом величину сравнительного светового потока J0 постоянной. Если в ходе работы спектрофотометра происходит увеличение или уменьшение светового потока от источника света 1 по отношению к заданной величине, то на выходе интегрирующего усилителя 8 происходит соответственно уменьшение или увеличение напряжения, что приводит к уменьшению или росту мощности, подаваемой на лампу 1 от блока питания 11, и соответственно к уменьшению или усилению яркости излучения источника света 1, пока не будет достигнута заданная величина J0. Сигнал от фотоэлемента 7 (на который падает J1) поступает в масштабный усилитель 9, выход которого соединен через систему коммутации 10 с измерительной схемой - с аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

В режиме стабилизации измерительного светового потока (J1) предлагаемый спектрофотометр работает следующим образом. Система коммутации 10 включает усилитель 9, соединенный с фотоэлементом 7, на который падает J1, в интегрирующий режим работы, а усилитель 8 (на который падает J0) - в масштабный режим. Сигнал с выхода интегрирующего усилителя 9 регулирует мощность лампы 1, управляя через систему коммутации 10 блоком питания лампы 11 и усиливая яркость свечения лампы 1 при увеличении концентрации исследуемого вещества или снижая яркость свечения лампы 1 при уменьшении концентрации, в результате величина измерительного светового потока J1 поддерживается постоянной, а величина сравнительного светового потока J0 увеличивается с увеличением яркости свечения (или снижается при уменьшении яркости свечения), что регистрируется фотоэлементом 6 и затем масштабным усилителем 8, выход которого через систему коммутации 10 соединен с измерительной схемой - с АЦП.

Заявляемый спектрофотометр был реализован в виде действующего макета. Исследование его рабочих характеристик на примере измерения концентрации озона показало, что прибор работает в широком диапазоне концентраций: от 10-2 до 10-7 моль/л, точность измерений по краям указанного диапазона не ниже 10%. Определение концентрации в диапазоне от 10-2 до 10-4 осуществляли в режиме стабилизации сравнительного светового потока, а в диапазоне от 10-3 до 10-7 - в режиме стабилизации измерительного светового потока. При этом для более высоких концентраций определение проводили по измерению % светопропускания (при стабилизированном J0), а для малых концентраций - по измерению величины оптического поглощения (при стабилизированном J1).

Разработанная конструкция спектрофотометра с автоматической стабилизацией светового потока позволила примерно на порядок сократить время выхода прибора на рабочий режим (при использовании ртутных ламп низкого давления обычно для этого требуется на менее 1,5-2 часов, а предлагаемый спектрофотометр выходит на рабочий режим в течение 10-15 мин), повысить стабильность светового потока от ±2% до ±0,1%, что, в свою очередь, позволило в 20 раз повысить точность измерений (на кюветах большой длины) или в 20 раз расширить диапазон измеряемых концентраций (на кюветах малой длины) и упростить, а при известном коэффициенте экстинкции и исключить, стадию калибровки.

Предлагаемый спектрофотометр отличается низкой стоимостью и стабильностью работы и может быть использован для измерения концентраций веществ в газообразной (смесь газов и паров), жидкой (растворы) и твердой (например, оптические стекла) фазах.

Прибор удобен при эксплуатации - прибор не требует использования эталонных образцов для градуировки и настройки, так как после проведения электронной настройки измерительных блоков последние становятся метрологически идентичными, что позволяет проводить замену вышедшего из стоя измерительного блока без дополнительной калибровки.

Прибор может быть использован как в лабораторных, так и промышленных условиях, в том числе при создании систем автоматического регулирования и управления непрерывными технологическими процессами.

Спектрофотометр, включающий источник света, два зональных светофильтра, две кюветы: сравнительную и измерительную, два фотоэлемента, принимающих световые потоки после прохождения сравнительной и измерительной кювет, и измерительную схему, отличающийся тем, что он дополнительно содержит управляемый блок питания источника света и электронную усилительную схему, которая состоит из двух усилителей: интегрирующего и масштабного, соединенных с фотоэлементами, и системы коммутации, предназначенной для переключения усилителей из интегрирующего режима работы на масштабный и обратно, и для передачи выходного сигнала интегрирующего усилителя на управляемый блок питания источника света, а выходного сигнала масштабного усилителя - на измерительную схему.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области спектроскопии. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению. .

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в различных оптических приборах для селекции спектральных линий. .

Изобретение относится к спектральному приборостроению, в частности к устройствам высокого спектрального разрешения со скрещенной дисперсией Цель изобретения - расширение спектральной области и повышение разрешения.

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению Целью изобретения является повышение точности измерений. .

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для автоматизированной регистрации спектров поглощения и люминесценции

Изобретение относится к области оптического приборостроения

Телескоп может быть использован в оптико-электронных космических телескопах для дистанционного зондирования Земли. Телескоп содержит объектив, установленные в фокальной плоскости оптико-электронные приемники изображения и спектрометр, содержащий входную щель, установленную в фокальной плоскости объектива, и фокусирующую диспергирующую систему. Спектрометр дополнен второй входной щелью, расположенной параллельно основной щели с высотами Т. Фокусирующая диспергирующая система выполнена в виде n мини-фокусирующих диспергирующих систем, установленных вдоль щелей в шахматном порядке с шагом, равным T 2 n . Каждая мини-фокусирующая диспергирующая система может содержать линзу-коллектив, установленный вблизи щели, и вогнутую дифракционную решетку. Объектив телескопа может быть выполнен из вогнутого главного зеркала, выпуклого вторичного зеркала и предфокального линзового корректора полевых аберраций. Технический результат - увеличение полосы захвата космического телескопа при малых размерах изображений пикселей ОЭПов на поверхности Земли и малых габаритах гиперспектральной аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 прил.

Изобретение относится к области прикладной оптики и спектрометрии и касается акустооптического монохроматора. Монохроматор содержит неколлинеарный акустооптический фильтр, отличающийся тем, что в качестве элемента для компенсации дисперсии использована выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Угол наклона выходной грани кристалла по отношению ко входной грани выбирается таким образом, чтобы спектральный дрейф угла дифракции в ячейке максимально компенсировался спектральным дрейфом угла преломления продифрагировавшего пучка на наклонной выходной грани. Технический результат заключается в увеличении спектрального интервала компенсации дисперсионных искажений. 2 ил.
Изобретение относится к области прикладной оптики и касается двойного акустооптического монохроматора на одном кристалле. Монохроматор содержит первый поляризатор, акустооптическую ячейку, второй поляризатор и поворотную призму, установленную с возможностью возврата оптического луча во второй поляризатор. Входной луч последовательно проходит через часть первого поляризатора, часть акустооптической ячейки и часть второго поляризатора. Поворотная призма обеспечивает возврат луча в монохроматор таким образом, чтобы луч последовательно проходил через соседнюю часть второго поляризатора, акустооптической ячейки и первого поляризатора. При этом первый поляризатор выполняет функцию выходного поляризатора. Технический результат заключается в уменьшении энергопотребления, упрощении производства и наладки монохроматора.

Компонент спектрального разделения имеет две стороны – плоскую переднюю сторону, содержащую дихроичное покрытие, и заднюю сторону. Задняя сторона является выпуклой и формирует цилиндрическую поверхность, задаваемую образующей фиксированного направления, перемещающейся перпендикулярно по дуге круга, содержащей два конца. При этом плоскость проходит через эти два конца и параллельна образующей цилиндрической поверхности, формирующей двугранный угол с плоскостью передней стороны, образующая цилиндрической поверхности параллельна ребру двугранного угла. Технический результат заключается в подавлении паразитной засветки. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, прикладной оптике, спектрометрии, технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии). Устройство содержит неколлинеарный акустооптический (АО) фильтр, в котором в качестве элемента для выделения полезного дифрагировавшего светового пучка использована определенным образом ориентированная выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Для компенсации дисперсии кристалла фильтра использована корректирующая призма из материала АО фильтра, установленная за выходной гранью кристалла АО фильтра по ходу дифрагировавшего светового пучка. Технический результат - увеличение коэффициента пропускания, упрощение и удешевление конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике, прикладной оптике, спектрометрии, технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии). Устройство содержит неколлинеарный акустооптический (АО) фильтр, в котором в качестве элемента для выделения полезного дифрагировавшего светового пучка использована определенным образом ориентированная выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Для компенсации дисперсии кристалла фильтра использована корректирующая призма из материала АО фильтра, установленная за выходной гранью кристалла АО фильтра по ходу дифрагировавшего светового пучка. Технический результат - увеличение коэффициента пропускания, упрощение и удешевление конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к спектрофотометрии

Наверх