Фотометр

 

О П И С А Н И Е < 972341

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсиик

Социалистичесиив

Респттблии (6l ) Дополнительное к авт. свид-ну (22)Заявлено 25.03.81 (21) 3295905/18-25 с присоединением заявки М (23) П риоритет

Опубликовано 07.11. 82. Бюллетень Xi, 41

Дата опубликования описания 07 . 1 1 . 82 (5 I ) M. Кл.

G 01 и 21/27 вввудвРстввоФЙ комктвт

СССР ао дмвм извбрвтвиий. и отвуитий (53) УДК. 535,242 (088.8) (72) Авторы изобретения

Е.П.Попечителев и Б.И.Чигирев /:;

Ленинградский ордена Ленина злектрЬте нический институт имени 8.И.Ульянова (Ленина) (71) Заявитель (54) ФОТОМЕТР

Изобретение относится к фотомет рии, а именно к фотометрическим устройствам анализа веществ, и может быть использовано для построения фотометрических анализаторов.

Один иэ известных фотометров содержит источник излучения, кювету, фотоприемник и регистратор (1).

Недостатком известного устройства то является ограниченная точность ..

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является фотометр, содержащий функциональный ге-. нератор, подключенный к входу синхро-, низации генератора счетных импульсов, выход которого соединен с одним входом элемента И, выход которого соединен с цифровым регистратором, а другой вход соединен с выходом фотореле, которое через эталонную кювету и оптический разделитель оптически связано с источником излучения, вход которого соединен с выходом устройства управления интенсивностью излучения, причем источник излучения через опти-, ческий разделитель и рабочую кювету оптически связан с фотоприемником (21.

Недостатком известного устройства является ограниченная точность измерений оптической плотности веществ из-за нелинейности преобразования сигнала функционального генерато" ра в световой поток, Цель изобретения - повышение точ- . ности измерений.

Укаэанная цель достигается тем, что в фотометр, содержащий функциональный генератор, подключенный к входу синхронизации генератора счет" ных импульсов, выход которого соединен с одним входом элемента И, выход которого соединен с цифровым регистратором, а другой вход соединен с выходом фотореле, которое через эталонную кювету и оптический разделитель оптически связано с источником

3 9723 излучения, причем источник излучения через оптический разделитель и рабочую кювету оптически связан с фотоприемником, введены дифференциальный усилитель и сумматор, выход которого соединен с входом устройства управления интенсивностью излучения, а один .вход соединен с выходом функционального генератора и одним входом дифференциального усилителя, другой вход 16 которого соединен с фотоприемником, а выход - с другим входом сумматора.

На чертеже представлена схема фотометра.

Устройство содержит функциональ- 15 ный генератор 1, подключенный к одному входу дифференциального усилителя 2 и к одному входу сумматора 3, другой вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя 2, а выход через устройство 4 управления интенсивностью излучения соединен с источником 5 излучения. Устройство также содержит оптический разделитель б, кюветное отделение 7 с рабочей

8 и эталонной 9 кюветами, фотоприемник 10, установленный за рабочей кюветой 8 и подключенный к другому входу дифференциального усилителя 2, фотореле 11, установленное за эталонной кюветой 9 и соединенное с одним входом элемента И 12, другой вход которого соединен с генератором 13 счетных импульсов, вход синхронизации которого соединен с выходом функцио35 нального генератора 1, выход элемента И 12 подключен к цифровому регистратору 14.

Устройство работает следующим образом. о

Пусть необходимо определить коэффициент пропускания некоторого вещества. В кюветное отделение 7 устанавливаются кюветы 8 и 9 с рабочим (исследуемым) и эталонными веществами.

Пусть рабочая кювета 8 установлена на пути потока, падающего на фотоприемник 10, тогда эталонная кювета 9 должна быть установлена на пути потока, падающего на фотореле 11.

Вь,делим в структуре предлагаемого фотометра с цифровым отсчетом два контура. Первый контур - отрицательной обратной связи (OOC) содержит функциональный генератор 1, диффе- 55 ренциальный усилитель 2, сумматор устройство 4 управления интенсивностью излучения, источник g излу41 а чения, оптический разделитель 6, oil тический канал, включающий рабочую кювету 8 и фотоприемник 10. Второй контур - измерительный - содержит источник 5 излучения, оптический разделитель 6, оптический канал с эталонной кюветой .9, фотореле 11, элемент И 12, генератор 13 счетных импульсов и цифровой регистратор 14.

Рассмотрим работу контура отрицательной обратной связи. Пусть на выходе функционального генератора 1 формируется, например, импульсное линейно-нарастающее напряжение Ип()

Ог(+) Dt С1) где a=0 /Т - крутизна линейно-нараМ стающего напряжения;

0 " - наибольшее напряжение

1п в момент окончания импульса длительностью Т;

- текущее значение времени, в течение которого формируется очередной сигнал генератора 1 (О Т).

Это напряжение поступает на один. вход дифференциального усилителя 2 и на один вход сумматора 3. Пройдя через сумматор 3,, сигнал поступает на вход устройства 4 управления интенсивностью излучения. Это устройстро регулирует световой поток источни:ка 5 излучения, не изменяя спектрального состава светового потока. Регули ровка светового потока источника 5 излучения может осуществляться электрическим способом, например изменением тока через светодиод или другой излучатель, механическим или иным способом.

Линейно-нарастающий во время действия импульса Иг(t) световой поток фо(й) источника 5 излучения, пройдя оптический разделитель б, делится на два потока. Один иэ световых потоков ф„()=К фо(), где 3(<1 - коэффициент деленйя оптического разде— лителя 6 для первого потока, поступает в кюветное отделение 7. Поток фо(й), пройдя через рабочую кювету

8 с коэффициентом оптического пропускания Ч р, уменьшается до величины Срф„(й) и падает на фотоприемник 10 с линейной энергетической характеристикой фототока (например, фотодиод) . Фотоприемник 10, имеющий чувствительность S преобразует падающий на него. световой поток в электрический сигнал 0ф ():0 Ä(t)=

5 9723

=S (t)Ep, который поступает на первый вход дифференциального усилителя 2. Если в какой-то момент времени сигнал фотоприемника 10 отли » чается от напряжения функционально- 5

ro генератора 1, то на выходе дифференциального усилителя 2 появляется сигнал рассогласования, усиленный дифференциальным усилителем 2.

Этот сигнал поступит на другой вход сумматора 3 в такой полярности, чтобы, изменив сигнал на выходе сумматора 3 посредством устройства управления интенсивностью излучения 4, изменить световой поток источника

5 излучения. Коррекция фо(й) приведет к появлению на выходе Фотоприемника 10 сигнала, равного в каждый момент времени t сигналу функционального генератора 1, .Причем, чем боль- 3В ше коэффициет усиления дифференциального усилителя 2 (при работе в зоне устойчивости), тем меньше различие между сигналом Фотоприемника

10 и 0г() поэтому можно записать

Ог{t)=0фп(t)..Раскрывая значение

0 (t), получим фп

Ц ®=SСРК„ф ().(2)

Равенство сигналов сохраняется 30 независимо от коэффициента пропуска- . ния рабочей кюветы 8.. Чем меньше УР, тем больше в каждый момент времени будет световой поток источника 5 излучения. 35

Таким образом, контур ООС стабилизирует световой поток фо(t) так, чтобы сигнал на выходе фотоприемни" ка 10 (с линейной энергетической характеристикой Фототока) в любой момент времени пренебрежимо мало отличался от сигнала функционального генератора 1. Равенство этих сигналов за счет воздействия контура ООС сохраняется независимо от вида передаточных характеристик сумматора 3 и устройства

4 управления интенсивностью излучения, от функции преобразования управляющего воздействия в световой поток источником 5 излучения, от коэффициента пропускания рабочей кюветы 8.

При этом контур ООС должен удовлетворять одному условию — время обработки сигнала рассогласования должно быть много меньше времени форми55 рования сигнала функционального генератора 1.

Рассмотрим работу измерительного контура. Оптическим разделителем 6

Формируется второй световой поток

Фр()=К ФО() где К - коэффициент деления оптического разделителя

6 для второго потока. Этот поток пройдет через кюветное отделение 7 с эталонной кюветой 9, имеющей коэффициент оптического пропускания Г, и поступит на Фотореле ll с порогом срабатывания фп . Поскольку второй световой поток, как и первый, формируется из линейно-нарастающего потока Фо(т.), то в момент времени с второй световой поток достигнет уровня Ф и фотореле 11 сработает. Срабаи тывая, Фотореле ll закрывает элемент

И 12 по второму его входу. На первый вход элемента И 12 поступают импульсы с генератора 13 счетных импульсов, причем на вход синхронизации этого генератора 13 поступает сигнал с функционального генератора 1, разрешая формирование счетных импульсов синхронно с началом формирования

U<(t). Число импульсов N прошедших элемент И 12 и,поступивших на цифровой регистратор 14, будет пропорционально времени t и частоте f следования счетных импульсов с

Число импульсов й„пропорционально отношению Ср/&>.

Для момента времени t справедливо отношение ф = ф (t) йли, раскрывая значение ф (), получим. . Фп= С э Фо ) ° (4)

В выражение (4) подставим значение ф.(t), найденное из (2) с учетом

ТОГОр ЧТО

Фп=1(э"гМ/К1 1р (В>

Выражение (1) подставим в (5) и перепишем полученную формулу относительно t„: 1„=К„ Грф„/аК ;

Подставив последнее выражение в (3), получим!

ОК,, э

Таким образом, число импульсов, зарегистрированное цифровым регистратором 14, прямо пропорциональ но отношению, коэффициента пропускания рабочей кюветы 8 к коэффициенту пропускания эталонной кюветы 9. Коэффициент пропорционаЛьности О К„ Яфя/

/а К в выражении (6 ) является величи .

2. ной постоянной, поскольку все вхо972

341 8 в неизменной и ограниченной области энергетической характеристики фототока. Фотореле имеет всего одну рабочую точку Ф„ на энергетической характеристике, что также уменьшает погрешность измерения по сравнению с известным устройством. формула изобретения

У

u, ()=о о ", с ) где Ь вЂ” постоянный коэффициент 3$

Изобретение позволяет повысить точность измерения за счет введения в его структуру контура отрицательной обратной связи, в который включен один из оптических каналов. При этом 4в диапазон изменения светового потока, ° падающего на фотоприемник оптического канала контура отрицательной обратной связи, остается всегда постоянным, т.е. Фотоприемник работает дящие в него сомножители постоянны, Предварительной установкой значений

Гс и а данный коэффициент легко сделать равным, например, тысяче (ста), тогда й„, будет выражать 1. / в деся.% тых долях процента (процентах). Если, как это обычно принято-считать, ГР= С Гз, где,ов- коэффициент пропускания собственно исследуемого .объекта, то на выходе устройства получим цифровой код й„, выражающий 2 „в в единицах коэффициента пропускания с требуемым числом значащих разрядов.

8 случае перестановки кювет 8 и 9 местами, т.е. установки эталонной кюветы 9 на пути потока $<(t), падающего на фотоприемник 10, а рабочей кюветы 8 на пути потока ф (с); пара- ющего на фотореле 11, на выходе фотометра будет зарегистрирован цифровой код, прямо пропорциональный ь Хр (или 1 Vpg), причем коэффициент пропорциональности f

Предлагаемый фотометр позволяет получать на выходе цифровой код оптической плотности 0 исследуемого объекта (D=- (gal©<), для чего функциональный генератор 1 должен формировать на выходе импульсный сигнал, 36 величина которого изменяется по закон

Фотометр, содержащий функциональный генератор, подключенный к входу синхронизации генератора счетных импульсов, выход которого соединен с одним входом элемента И, выход которого соединен с цифровым регистратором, а другой вход соединен с выходом фотореле, которое через эталонную кювету и оптический разделитель оптически связано с источником излучения, вход которого соединен с выходом устройства управления интенсивностью излучения, причем источник излучения через оптический разделитель и рабочую кювету оптически связан с фотоприемником, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены дифференциальный усилитель и сумматор, выход которого соединен с входом устройства управления интенсивностью излучения, а один вход соединен с выходом функционального генератора и одним входом дифференциального усилителя, другой вход которого соединен с фотоприемником, а выход — с другим входом сумматора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР

535469, кл. 11 Oi J 1/44у 1976.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Ю 3259554, кл. 6 01 М 21/27,,13.03.81 (прототип).

972341

Составитель С. Чурбаков"

Редактор А.фролова Техред T.Иаточка Корректор О.Билак

Заказ 505 32 Тираж 7 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r, Ужгород, ул. Проектная,