SU1078258A1 - Фотометр - Google Patents

Abstract

ФОТОМЕТР, содержащий источник света, по ходу излучени  которого последовательно расположены светоделительное устройство, измерительный и эталонный оптические каналы, модул тор с блоком управлени  и фотопреобразователь, компаратор, выход которого соединен с входом первого импульсного ключа, через который генератор импульсов соединен с преобразователем импульсов в напр жение, синхронизирующий вход которого подключен к блоку управлени , а выход - к входу компаратора, второй и третий импульсные ключи, управл ющие входы которых соединены с блоком управлени , а выходы - соответственно с интеграторами , которые подключены к соответствующим входам делительного устройства, соединенного синхронизирующим входом с блоком управлени , а выходом - с регистратором, отличающийс  тем, что, г (Л с целью повышени  точности измерений , выход фотопреобразовател  подключен к второму входу компаратора, а выход первого импульсного ключа . соединен с входами второго и третьего импульсных ключей. Q С Ж to СП

Description

Изобретение относитс  к приборостроению , а именно к фотометрам, и может быть использовано в оптиче к IX спектроанализаторах, например, дл  определени  химического состава веществ. Известен фотометр, содержащий источник света, светоделительное устройство, оптические каналы, модул тор с блоком управлени , фотопреобразователь , синхронный коммута тор, блок преобразовани  и регистратор TI;. Однако фотометр имеет недостаточно высокую точность вследствие того, что на результат измерений v оказывает вли ние изменение во вре мени коэффициентов передачи каналов синхронного коммутатора и смещени  нул  элементов устройства. Наиболее близким к изобретению . вл етс  фотометр, содержащий источник света, по ходу излучени  которого последовательно расположены светоделительное устройство, измерительный и эталонный оптические каналы, модул тор с блоком управлени  и фотопреобразователь, компаратор, выход которого соедине с входом первого импульсного ключа через который генератор импульсов соединен с преобразователем импульсов в напр жение, синхронизиру ющий вход которого подключен к бло ку управлени , а выход - к входу компаратора, второй и третий импул ные ключи, управл ющие входы которых соединены с блоком управлени , а выходы - соответственно с интегр торами, которые подключены к соответствующим входам делительного устройства, соединенного синхронизирующим входом с блоком управлени а выходом - с регистратором 2. Недостатком известного устройст ва  вл етс  ннэка  точность измере ний при малых значени х посто нной составл ющей -фохргщеобразовател . Это Св зано с тем, что сЭруктура известного фотометра вызывает по вление значительной погрешности при малых значени х посто нной сос тавл ющей фотопреобразовател , обусловленной наличием ступенчатости , неизбежной при цифровом мет де преобразовани  сигналов. В известном устройстве преобразование измер емых сигналов осуществл етс  путем сравнени  напр жени , снимаемого с нижнего плеча делител  напр жени , установленного , на выходе фотопреобразовател , с сигналом, равным посто нной составл  ощей фотопреобраэовател . При этом сопротивление нижнего плеча делители устаназливаетс  пропорциональным посто нной, составл ющей фотопреобразовател , а результат измерений определ етс  сопротивлением верхнего плеча делител  напр жени , которое устанавливаетс  по величине преобразуемого напр жени  и сопротивлению нижнего плеча делител  напр жени . Поэтому по вление погрешности в установлении сопротивлени  нижнего плеча делител  напр жени  неизбежно ведет к по влению погрешности в установлении сопротивлени  верхнего плеча делител  напр жени , характеризукидего результат измерений, при этом погрешность в установлении сопротивлени  верхнего плеча делител  напр жени  в з ависимости от величины посто нной составл ющей фотопреобразовател  возрастает в несколько раз. Дл  доказательства оценим величину составл ющей погрешности измерений известным фотометром, котора  обусловлена только ошибкой в установлении сопротивлени  нижнего плеча делител  напр жени  вследствие ступенчатости процесса преобразовани . На первом этапе измерений из1вестным фотометром, на втором входе компаратора устанавливаетс  напр жение , равное сумме Uf посто нной составл ющей фотопреобразовател  и напр жени  смещени  компаратора . При освещении фотопреобразовател  световым сигналом, прошедшим через эталонный оптически канал, на вход делител  напр жени  поступает сигнал, равный сумме посто нной составл ющей U и напр жени  U., , пропорционального световому потоку, прошедшему через эталонный оптический канал, при этом с учетом смещени  компаратора должно установитьс  равенство де R-1 - сопротивление верхнего плеча делител  напр жени  в этот момент; 2 - сопротивление нижнего плеча , которое должно установитьс , чтобы обеспечивалось указанное равенство. Равенство (1) показывает, что опротивление нижнего плеча делите  напр жени-  пропорционально пото нкой составл ющей фотопреобразоател . В действительности при изерени х сопротивление нижнего плеа делител  напр жени  вследствие тупенчатости .процесса измерений станавливаетс  большим на величину И станет равным Г2 + ДЬр/ при этом в зависимости от и и U может измен тьс  от значени , близ кого к нулю,, до значени , близкого к величине сопротивлени  ступени нижнего разр да делител  напр жени . Поэтому, кс-да на фотопреобразователь поступает световой сигнал , прошедший через измерительный оптический канал, и на вход делител  напр жени  поступает сигнал, равный сумме посто нной составл ющей Uj и напр жени  U,,, пропорционального световому потоку, прошедшему через измерительный канал, си нал, поступающий на компаратор, бу дет сниматьс  с нижнего плеча дели тел  напр жени , сопротивление которого равно при этом соп ротивление верхнего плеча делител характеризующее результат измерен будет измен тьс  до тех пор, пока наступит равенство -()-UcM- r UcM + (21 tИз равенств (1) и (2) получим значение h , характеризующее результат измерений, которое равно Uj I йГу - Учитыва , что значение h-, сопро тивлени  верхнего плеча при отсутствии ошибки от ступенчатости рави но ( абсолютна  ошибка в установлении сопротивлени  верхнего плеча делител  напр жени  вследствие наличи  4г определ етс  величиной и. лГу ;-virn, 1 2 относительное значение которой рав cA --r-fOO% 1 2 Из равенств (3) и (4) следует, что с уменьшением величины сопротивлени  нижнего плеча делител  на пр жени  ошибка измерений увеличиваетс , а так как сопротивление п нижнего плеча устанавливаетс  пропорциональным порто нной состав л ющей фотопреобразовател , то оши ка измерений известным устройством зависит от величины посто нной со тавл ющей фотопреобра-зовател . Пр этом, когда посто нна  составл юща  в1ыходного сигнала фотопреобра , збвател  имеет небольшую величину а следовательно на основании раве ства (1) и г имеет небольшую величину , ошибка измерений становитс  значительной. Увеличить точность измерений при малых значени х посто нной составл ющей фотопреобразовател  можно путем уменьшени  величины сопротивлени  ступени делител  напр жени . Однако вследствие наличи  разброса номинальных значений сопротивлений резисторов, используемых в делителе напр жени , нижнее значение сопротивлени  ступени , которое может быть установлено , всегда ограничено. Цель изобретени  - повышение точности измерений. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в фотометре, содержащем источник света, по ходу излучени  которого последовательно расположены светоделительное устройство,, измерительный и эталонный оптические каналы, модул тор с блоком управлени  и фотопреобразователь, компаратор , выход которого соединен с. входом первого импульсного ключа, через который генератор импульсов соединен с преобразователем импульсов в напр жение, синхронизирующий вход которого подключен к блоку управлени  , а выход - к входу компаратора , второй и третий импульсные ключи, управл ющие входы которых соединены с блоком управлени , а выходы - соответственно с интеграторами, которые подключены к соответствующим входам делительного устройства, соединенного синхронизирующим входом с блоком управлени , а выходом - с регистратором, выход фотопреобразовател  подключен к второму входу компаратора, а выход первого импульсного ключа соединен с входами второго и третьего импульсных ключей . На чертеже показана структурна  схема фотометра. Фотометр содержит источник 1 света, светоделйтельное устройство 2, оптические каналы 3 и 4, фотопреобразователь 5, модул тор б. Выход фотопреобразовател  5 подключен на второй вход компаратора 7, первый вход которого подключен к выходу преобразовател  8 импульсов в напр жение. Выход компаратора 7 подключен к управл ющему входу импульсного ключа 9, вход которого соединен с генератором 10 импульсов , а выход - с входом преобра овател  8 и входами импульсных ключей 11 и 12, выходы которых подключены соответственно к интеграторс м 13 и 14. Выходы интеграторов 13 и 14 соединены с делительным устройством 15, к выходу которого подключен регистратор 16. Блок 17 управлени  соединен с модул тором 6,

с синхронизирующим входом преобраэовател  8 импульсов в напр жение, с управл ющими ьходами ключей 11 и 12 и с управл ющим входом делительного устройства 15,

Устройство работает следующим образом.

Световой поток источника 1 светоделительным устройством 2 делитс  на два луча, один из которых проходит через измерительный оптичес кий канал 3, в котором взаимодействует с анализируемой пробой, и попадает на фотопреобразователь 5, второй проходит эталонный оптический канал 4, в котором взаимодействует с эталонной пробой, и также попадает на фотопреобразователь 5. Световые потоки каждого луча модулируютс  модул тором б таким образом , что они попадают на фотопреобразователь 5 в разные промежутки времени и, кроме того, между ними И1 еютс  промежутки, в которые свет от источника 1 не попадает на фотопреобразователь 5.

Сигналы, полученные в моменты освещени  фотопргобразовател  5, кроме составл ющих, вызванных снетовыми потоками, имеют посто нную составл ющую, обусловленную темновым током фотоприемника и смещениемнул  усилител , а а момент отсутстви  световых потоков имеют только укаэ1ианую посто нную составл ющую. С выхода .фотопреобразовател  5 сигналы поступают на второй вход компаратора 7.

Измерение начинаетс  в момент, когда фотопреобразователь 5 не освещен световыми потоками. В этом случае на второй вход компаратора 7 поступает электрический сигнал U-p, равный посто нной составл ющей, величина которой определ етс  темновым током и смещением нул  фотопреобразовател , а на первый вход комггар-атора 7- зосхупает сигнал U , равный нулю. Кроме того,1 омпаратор обычно имеет смещение нул , котрое можно считать как величину и, приложенную к одному из входов компаратора 7, например к входу, на который подаетс  сигнал с выхода фотопреобразовател  5.Поэтому на второй вход компаратора 7 в этот момент поступает сигнал, равный .| Так как сигнал U-p+и д, поступающий на второй вход компаратора 7, больше сигнала поступающего на его первый вход, то с выхода компаратора 7 на управл ющий вход импульного ключа 9 поступает сигнал, разрушающий прохождение импульсов с г енератора 10 импульсов в преобразователь 8 -импульсов в напр жение. Одновременно с-вт.чм с блока 17 управлени  на управл ющие входы импульсных ключей 11 и 12 поступают сигналы, запрещающие прохождение импульсов в интеграторы 13 и 14. В этот момент начинают проходить импульсы 5 с генератора 1Q импульсов через импульсный ключ 9 только в преобразователь 8 импульсов в напр жение. В , преобразователе 8 начинает увеличиватьс  число импульсов, а следова0 тельно, с приходом каждого очередного импульса увеличиваетс  напр жение на его выходе на величину, равную OQ , Импульсы с генератора 10 импульсов через импульсный ключ 9

5 поступают в преобразователь В до тех пор, пока напр жение на выходе преобразовател  8, поступающее на первый вход компаратора 7, не станет близким по величине к напр жению

Q , поступающему на его второй вход, т.е.

, K

(5)

где Пц - число импульсов, поступаю25 Щик в преобразователь 8, когда на фотопреобразователь 5 световые потоки не попадают, при поступлении которых напр жение на выходе преобразовател  8 становитс  равным U|.. В момент наступлени  равенства (5) с компаратора 7 йа управл ющий вход импульсного ключа 9 поступает сигнал запрета и прохождение им пульсов с генератора 10 импульсов в преобразователь 8 прекращаетс . С этого момента на первый вход компаратора 7 поступает сигнал, равный 0.

В следующий момент на фотопре0 образователь 5 поступает световой сигнал, прошедший через оптический (канал 3 анализируемого образца. Од;новременно с этим с блока il7 управлени  на управл ющий вход импульс5 ного ключа 11 поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов через этот ключ. С выхода фотопреобразовател  в этом случае поступает сигнал , равный сумме посто нной сос0 тавл ющей U-j- и напр жени  U, пропорционального световому потоку, прошедшему через оптический тракт 3 .анализируемого образца, поэтому с учетом смещени  0 к второму входу г компаратора 7 будет приложена сумма напр жений и 1+UT+I C. Поскольку сигнал, поступающий на второй вход компаратора 7, больше сигнала Оц, поступающего на его первый вход, с выхода компаратора 7 на управл ющий 0 вход импульсного ключа 9 поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов с генератора 10 импульсов, а так как в это врем  разрешено прохождение импульсов и через им5 пульсный ключМ, то с генератора 10

импульсов начнут поступать импульсы через импульсный ключ 9 в преобразователь 8 и параллельно через импульсный ключ 9 и далее через импульсный ключ 11 в интегратор 13. С поступлением импульсов начнет возрастать напр жение на выходе преобразовател  8, начальное значение которого равно Uj, . Напр жение на выходе преобразовател  8, которое прикладываетс  к первому входу компаратора 7, будет увеличиватьс  до тех пор, пока не приблизитс  по величине к напр жению, приложенному на второй вход компаратора 7, т.е. пока не наступит равенство

.O

где п - чдсло импульсов, которое

добавл етс  в преобразователь 8, когда на фотопреобразователь 5 поп-адает световой поток, прошедший через канал 3 анализируеемого образца.

В момент наступлени  равенства (6) с компаратора 7 на управл ющий вход импульсного ключа 9 поступае сигнал запрета и прохождение импульсов с генератора 10 импульсов в преобразователь 8 прекращаетс , а одновременно прекращаетс  и поступление импульсов в интегратор 13, так как с генератора 10 импульсов в интегратор 13 импульсы могут пройти только через последовательно соединенные импульсные ключи 9 и 11. Следовательно , если при прохождении . светового потока через канал-3 в преобразователь 8 поступает п импульсов , то и в интегратор 13 поступает только п импульсов. Число импульсов п-,, поступающее в интегратор , сохран етс  до окончани , процесса измерени .

Учитыва  уравнение (5), в равенстве (6) , тогда U r Up

или rt, г.- . (7)

Из уравнени  (7) следует, что число и,, импульсов, которое накопилось в интеграторе 13, пропорционально сигналу и, соответствующему интенсивности светового потока, прошеда1его через канал 3 анали зируемого образца , и не зависит от темнового то-ка , смещени  нул  фотопреобразовател  5 и напр жени  смещени  компаратора 7.

В следующий момент прекращаетс освещение фотопреобразовател  5 световым потоком, проход щим через оптический канал 3, кроме того, на

фотопреобразователь 5 еще не попа/дает световой поток, проход щий через оптический канал 4 эталона, а поэтому с выхода фотопреобразовател  5 поступает сигнал, определ емый темновым током и смещением нул  фотопреобразовател  5. Одновременно с прекращением освещени  фотопреобразовател  5 световым потоком , проход щим через оптический канал 3, с блока 17 управлени  поступают сигналы на управл ющий вход импульсного ключа 11, запрещающие прохождение импульсов через этот ключ, и на синхронизирующий вход преобразовател  8 импульсов в . напр жение, сбрасывающий всю накопленную до этого информацию, поэтому напр жение на выходе преобразо

5 вател  8 становитс  равным нулю. На управл ющем входе импульсного ключа 12 в это врем  установлено напр жение .

Так как напр жение, равное U

поступающее в это врем  на второй вход компаратора 7, больше напр жени  , приложенного к его первому входу, поступающего с преобразовател  8, то с выхода компаратора 7

5 на управл ющий вход импульсного

ключа 9 поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов с генератора 10 импульсов в преобразователь 8. В этот момент начинают проQ ходить импульсы с генератора 10 импульсов через импульсный ключ Э только в преобразователь 8. В преобразователе 8 начинает увеличиватьс  число импульсов, а следовательно, увеличиваетс  напр жение на его выходе . Импульсы с генератора 10 импульсов поступают в преобразователь В до тех пор, пока напр жение на выходе преобразовател  8, поступающее на первый вход компаратора 7,

0 не станет близким по величине к напр жению U приложенному к второму входу компаратора 7, т.е. пока не наступит равенство (5). При наступлении равенства (5) с компа5 ратора 7 на управл ющий вход импульсного ключа 9 поступает сигнал запрета и прохождение импульсов с генератора 10 импульсов в преобразователь 8 прекращаетс . С этого

0 йомента на первый вход компаратора 7 юступает сигнал, равный следующий момент на фотопреобразователь 5 поступает световой сигнал, прошедший через оптический

5 канал 4 эталона. Одновременно с этим с блока 17 управлени  на управл ющий вход импульсного ключа 12 по . ступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов через этот ключ. С

0 выхода фотопреобразовател  5 в этом случае поступает сигнал, равный сумме посто нной составл ющей. 0 .и напр жени  Uj пропорционального све товому потоку, прошедшему через оп5 хический тракт 4,эталона, поэтому с учетом смещени  U., к второму вход компаратора 7 будет приложена сум ма напр жений 0 (J .. так как сигнал, поступающий на второй вхо компаратора 7, больше сигнала U( , поступающего на его первый вход с выхода компаратора 7, на управл ю вход импульсного ключа 9 поступае сигнал, разрешающий прохождение и пульсов с генератора 10 импульсов Поскольку в это врем  разрешено п хождение импульсов и через импуль ный ключ 12, то с генератора 10 импульсов начнут поступать импуль через импульсный ключ 9 в преобра зователь 8 и параллельно через им пульсный ключ 9 и далее через импульсный ключ 12 в интегратор 14, С поступлением импульсов начнет во растать напр жение на выходе преоб разовател  8, начальное значение которого равно Uf . Напр жение на выходе преобразовател  8, которое прикладываетс  к первому входу ком паратора 7, будет увеличиватьс  до тех пор, пока не приблизитс  по величине к напр жению, приложенному на второй вход компаратора 7, Т.е. пока не наступит равенство где П- - число импульсов, поступаю щих в преобразователь 8, когда на фотопреобразователь 5 попадает световой поток, прошедший через ка нал 4 эталона. В момент наступлени  равенства (8) с компаратора 7 на управл ю- , щий вход импульсного ключа 9 поступает , сигнал запрета и прохождение импульсов с генератора 10 импульсов через импульсный ключ 9 прекращаетс , следовательно, прекращаетс  поступление импульсов в преобразователь Бив интегратор 1 Если при прохождении светового потока через канал 4 в преобразователь 8 поступило импульсов, то и в интегратор 14 тоже поступит импульсов„ Так как учитыва  уравнение (5), в равенстве (8) и + и UK тогда 2 n2Uo . 2 - DO . Из уравнени  (9) следует, что число П2 импульсов, которое накопилЬсь в интеграторе 14, пропорционально сигналу 02 f соответствующему интенсивности светового потока, прошедшего через канал 4 эталона, и не зависит от темнового тока, смещени  нул  фотопреобразовател  и напр жени  смещени  компаратора Таким образом, информаци , накопленна  в интеграторах 13 и 14, .получена в виде без посто н ных составл ющих отдельных элементов устройства. В момент прекращени  освещени  фотопреобразовател  5 световым потоком , проход щим через канал эталона , с блока 17 управлени  поступают сигналы: на синхронизирующий вход преобразовател  8 импульсов в напр жение - о сбросе накопленной в нем информации, на управл ющий вход импульсного ключа 12 - запрещающий прохождение импульсов через этот ключ, на управл ющий вход делительного устройства 15 - о выполнении операции делени . Делительное устройство 15 осуществл ет операцию делени  числа п импульсов, накопленных в интеграторе 13, и числа импульсов, накопленных в интеграторе 14, поэтому на регистратор 16 поступает результат, который с учетом уравнений (7) и (9) равен 2 .1 2 0 / 0 2 .Результат измерений может определ тьс  за один период либо за определенное заданное число периодов. В последнем случае осуществл етс  накопление информации в интеграторах 13 и 14 за несколько периодов, а затем осуществл етс  операци  делени , Из уравнени  (10) видно, что величина С, Характеризующа  результат измерений, который фиксируетс  цифровым регистратором 16, определ етс  отношением сигналов, пропорциональных световым потокам, прошедшим .через каналы 3 и 4, и не зависит от коэффициента передачи отдельных элементов устройства, посто нной составл ющей, обусловленной темновым током фотоприемника и смещением нул  усилител , и напр жени  смещени  компаратора. i Предлагаемое устройство исключает зависимость погрешности результата измерений вследствие ступенчатости процесса преобразовани  сигналов от величины, посто нной составл ющей фотопреобразовател . Это подтверждают результаты анализа погрешностей при измерении предлагаемым фотометром. Так, например, если каждый сигнал, равный и (2+J-f. преобразовывать.в числа импульсов, пропорциональные суммам составл ющих этих сигналов, то в преобразователь 8 импульсов в напр жение должно поступи.ть соответственно п .и п импульсов, при этом на выходе преобразовател  8 устанабливаютс  напр жени , равные соответственно пU и (j , которые больше напр жений, поступающих на второй вход компаратора, на величи

Claims (1)

1. ФОТОМЕТР, содержащий источник света, по ходу излучения которого последовательно расположены светоделительное устройство, измерительный и эталонный оптические каналы, модулятор с блоком управления и фотопреобразователь, компаратор, выход которого соединен с входом первого импульсного ключа, через который генератор импульсов соединен с преобразователем импульсов в напряжение, синхронизирующий вход которого подключен к блоку управления, а выход - к входу компаратора, второй и третий импульсные ключи, управляющие входы которых соединены с блоком управления, а выходы - соответственно с интеграторами , которые подключены к соответствующим входам делительного устройства, соединенного синхронизирующим входом с блоком управления, а выходом - с регистратором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, выход фотопреобразователя подключен к второму входу компаратора, а выход первого импульсного ключа . соединен с входами второго и третьего импульсных ключей.

   00··

   N5

   СП >