Способ коррекции выходного сигнала фотометрического датчика

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для метрологической аттестации и периодической поверки устройств фотометрического анализа жидких сред. Для коррекции выходного сигнала фотометрического датчика воздействуют излучением на измеряемый объект и выполняют измерения путем приема излучения, проходящего через измеряемый объект с помощью датчика, имеющего нелинейную выходную характеристику, осуществляют линеаризацию выходного сигнала датчика, так что выходной сигнал с указанного датчика в ответ на изменение количества принятого излучения становится пропорциональным количеству принятого излучения. Измеряют аппаратное значение коэффициентов пропускания в произвольных точках диапазона измерения на проверяемом датчике и корректируют их с учетом аппроксимирующей функции. Изобретение направлено на повышение достоверности измерения истинных коэффициентов пропускания контролируемых жидких сред за счет обеспечения возможности учета неидеальностей основных характеристик оптического тракта. 2 з.п. ф-лы.

 

Предлагаемое изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для метрологической аттестации и периодической поверки устройств, предназначенных для фотометрического анализа жидких сред.

Фотометрический датчик используется в устройствах для определения содержания веществ путем измерения коэффициентов (Т) пропускания растворов.

где I₀ - интенсивность падающего светового потока,

I - интенсивность светового потока, прошедшего слой контролируемой среды;

U₀, В - значение выходного напряжения детектора, измеренного на фоновом растворе;

U_T, В - значение выходного напряжения детектора при выключенном светодиоде;

U, В - текущее значение выходного напряжения детектора при подаче контрольного раствора.

При оценке метрологических характеристик устройств, применяемых для фотометрического анализа, основными параметрами являются коэффициент пропускания и диапазон его изменения.

В зависимости от класса прибора погрешность определения коэффициента пропускания нормируется в диапазоне 0,1-2%, а диапазон его изменения от 1 до 0,01.

Соотношение (1) строго выполняется при соблюдении следующих условий:

- монохроматичности светового потока;

- параллельности падающего светового потока;

- перпендикулярности падающего светового потока поверхности контролируемой среды,

- линейности выходной характеристики датчиков в ответ на количество принятого излучения.

Указанные условия реализуются только в лабораторных спектрофотометрах высокого класса точности. Для портативных фотометров и проточных анализаторов ни одно из указанных требований не выполняется. В связи с этим при проверке метрологических характеристик подобных приборов необходимо введение поправочных коэффициентов, учитывающих отклонение аппаратных значений коэффициентов пропускания (Т_ап) от их истинных значений (Т_ист).

Значение поправочного коэффициента определяется как длиной волны, так и конкретным значением истинного коэффициента пропускания внутри нормируемого диапазона измерений Т (1-0,1).

Обычным способом учета отклонений подобного типа является экспериментальное определение Т_ист и Т_ап коэффициентов пропускания при рабочих длинах волн в 10 точках рабочего диапазона изменений коэффициентов пропускания и построение по полученным данным поправочной функции в кусочно-линейном приближении.

При использовании данного способа для каждого датчика и при трех рабочих длинах волн необходимо проведение 30 серий измерений с использованием тридцати контрольных растворов. Учитывая общие затраты времени, данная процедура занимает приблизительно 2 рабочих дня для каждого датчика.

Известен способ коррекции выходного сигнала датчика (патент США №7110901, опубл. 19.09.2006), согласно которому воздействуют излучением на измеряемый объект и выполняют измерения путем приема излучения отраженного от части детектируемого объекта с помощью датчика, причем указанный датчик имеет нелинейную выходную характеристику в ответ на количество принятого излучения, а указанный способ содержит процесс линеаризации, корректирующий выходной сигнал датчика, так что выходной сигнал с указанного датчика в ответ на изменение количества принятого излучения становится пропорциональным количеству принятого излучения, причем указанный процесс линеаризации включает этапы (А) и (В), где (А) представляет собой процесс, в котором фотодатчик, имеющий линейную выходную характеристику в ответ на количество принятого излучения, расположен таким образом, что излучение, падающее на датчик, одновременно падает на указанный образцовый фотодатчик, и в случае изменения количества падающего излучения соотношение выходного сигнала датчика и выходного сигнала образцового фотодатчика хранится как линеаризационные данные, а этап (В) представляет собой процесс, в котором в процессе проведения измерений результирующий выходной сигнал датчика корректируется таким образом, чтобы стать пропорциональным выходному сигналу указанного фотодатчика на основе указанных линеаризационных данных.

Включение образцового фотодатчика, имеющего линейную выходную характеристику, в состав самого детектора обеспечивает проведение линеаризации непрерывно в процессе проведения измерений.

Недостатком прототипа является то, что в процессе линеаризации учитывается только нелинейность выходного сигнала самого датчика.

Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности измерения истинных коэффициентов пропускания контролируемых жидких сред, за счет обеспечения возможности учета неидеальностей основных характеристик оптического тракта.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе коррекции выходного сигнала датчика, согласно которому воздействуют излучением на измеряемый объект и выполняют измерения путем приема излучения, проходящего через измеряемый объект с помощью датчика, имеющего нелинейную выходную характеристику, осуществляют линеаризацию выходного сигнала датчика, так что выходной сигнал с указанного датчика в ответ на изменение количества принятого излучения становится пропорциональным количеству принятого излучения, согласно изобретению в качестве аппроксимирующей функции при линеаризации во всем диапазоне изменений коэффициентов пропускания принимается соотношение

где Т_ист - истинное значение коэффициента пропускания;

Т_ап - аппаратное значение коэффициента пропускания;

а₀, a₁, a₂,…a_n - коэффициенты аппроксимирующей функции, причем истинное значение коэффициента пропускания измеряют для градуировочных растворов на образцовом фотометре, аппаратное значение коэффициента пропускания градуировочных растворов измеряют на проверяемом датчике, затем вычисляют коэффициенты аппроксимирующей функции, после чего измеряют аппаратное значение коэффициентов пропускания в произвольных точках диапазона измерения на проверяемом датчике и корректируют их с учетом аппроксимирующей функции.

Причем истинное и аппаратное значения коэффициента пропускания можно определять для (n+1) градуировочных растворов или для n градуировочных растворов. Во втором случае при вычислении коэффициентов аппроксимирующей функции принимается условие, что при коэффициенте пропускания, равном 1, истинное значение коэффициента пропускания совпадает с аппаратным.

Анализ данных, полученных для серии измерений, проведенных на разных датчиках, показал, что при Х=const во всем диапазоне изменения коэффициентов пропускания выполняется соотношение:

Таким образом, аппроксимирующая функция для любого из анализаторов и каждой рабочей длины волны с хорошей степенью приближения может быть описана полиномом n-й степени. Вычисление коэффициентов полинома производится по результатам измерения аппаратных и истинных коэффициентов пропускания.

Использование при линеаризации выходного сигнала датчика измеренных истинного и аппаратного значений коэффициентов пропускания обеспечивает нам учет неидеальностей основных характеристик оптического тракта - немонохроматичности светового потока, непараллельности падающего светового потока, неперпендикулярности падающего светового потока к поверхности контролируемой среды.

Рассмотрим реализацию заявляемого способа коррекции выходного сигнала на примере выполнения процедуры коррекции показаний фотометрического датчика проточно-инжекционного анализатора.

В качестве аппроксимирующей функции выбираем полином второго порядка. Поэтому измерение коэффициента пропускания для каждой длины волны проводится с использованием двух градуировочных растворов и одного фонового, для которого коэффициент пропускания принимается равным 1.

По стандартной процедуре готовятся фоновый раствор и градуировочные растворы с коэффициентами пропускания около 0,2 и около 0,5.

Подготавливают к измерениям образцовый спектрофотометр с пределами допускаемого значения абсолютной погрешности измерения коэффициента пропускания ±0,5%.

Заполняют одну кювету градуировочным раствором, другую кювету (кювету сравнения) - фоновым раствором. Помещают обе кюветы в кюветное отделение спектрофотометра. Измеряют коэффициент пропускания градуировочного раствора относительно фонового раствора. Повторяют процедуру для второго градуировочного раствора.

На проверяемом датчике в автоматическом режиме измеряют для каждого из градуировочных растворов аппаратное значение коэффициента пропускания относительно фонового раствора.

По полученным значениям истинных и аппаратных коэффициентов пропускания вычисляют коэффициенты полинома с использованием стандартных математических процедур, принимая, при этом, что при коэффициенте пропускания, равном 1, истинное значение коэффициента пропускания совпадает с аппаратным.

Полученные значения коэффициентов полинома в дальнейшем используются для линеаризации показаний датчика во всем диапазоне проведения измерений.

Проверка данного алгоритма коррекции выходного сигнала проводилась более чем на 20 датчиках и ни в одном случае погрешность определения коэффициента пропускания не превышала нормированного значения 1,5% во всем диапазоне его изменения - 1-0,1

1. Способ коррекции выходного сигнала фотометрического датчика, согласно которому воздействуют излучением на измеряемый объект и выполняют измерения путем приема излучения, проходящего через измеряемый объект с помощью датчика, имеющего нелинейную выходную характеристику, осуществляют линеаризацию выходного сигнала датчика так, что выходной сигнал с указанного датчика в ответ на изменение количества принятого излучения становится пропорциональным количеству принятого излучения, отличающийся тем, что в качестве аппроксимирующей функции при линеаризации во всем диапазоне изменений коэффициентов пропускания принимается соотношение

где Т_ист - истинное значение коэффициента пропускания;
Т_ап - аппаратное значение коэффициента пропускания;
а₀, a₁, a₂, a_n - коэффициенты аппроксимирующей функции, причем истинное значение коэффициента пропускания измеряют для градуировочных растворов на образцовом фотометре, аппаратное значение коэффициента пропускания градуировочных растворов измеряют на проверяемом датчике, затем вычисляют коэффициенты аппроксимирующей функции, после чего измеряют аппаратное значение коэффициентов пропускания в произвольных точках диапазона измерения на проверяемом датчике и корректируют их с учетом аппроксимирующей функции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что истинное и аппаратное значения коэффициента пропускания определяют для (n+1) градуировочных растворов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что истинное и аппаратное значения коэффициента пропускания измеряют для n градуировочных растворов, а при вычислении коэффициентов аппроксимирующей функции учитывают, что при коэффициенте пропускания, равном 1, истинное значение коэффициента пропускания совпадает с аппаратным.