SU1081431A1 - Цифровой фотометр - Google Patents

Abstract

ЦИФРОВОЙ ФОТОМЕТР, содержащий излучатель, по ходу излучени  которого установлены конденсатор, светофильтры, обтюратор, измерительна  кювета, объектив и фотоприемник, подключенный к входу усилител , генератор опорного напр жени  и регистрирующий прибор, отличающийс   тем, что, с целью повышени  точности измерений,, в него введены непрозрачный диск с отверсти ми, заслонка с механизмом перем ени , установленные перед обтюратором по ходу излучени , генератор высокой частоты, компаратор, два триггера, три cx&vsi И, два счетчика импульсов, схема НЕ, три задатчика и два ечетно-решс1кициХ; блока, а-обтюратор выпол ней в виде бесконечной ленты с окнами , причем форма отверсти  непрозрачного диска соответствует фигуре, образованной двум  полусинусоидами, выход усилител  подключен к первому входу компаратора, второй вход которого присоединен к шине нулевого уровн , а выход -подключен к входу схемы НЕ и к счетному входу второго триггера, инверсный выход которого присоединен к третьему входу первого счетно-решающего блока и к второму входу третьей схемы И, первый вход которой подключён к выходу схемы НЕ, а выход присоединен к п тому входу второго счетно-решающего блока и к обнул ющим входам счетчиков импульсов и первого триггера, счетный вход, которого подключен к выходу генератора опорного напр жени , а инверс (Л ный выход присоединен к третьему входу схемы И, пр мой выход второго триггера подключен к первым входам первой и второй схем И, вторые входы которых присоединены к генерато- g ру высокой частоты, а их выходы подключёны к счетным входам первого и второго счетчиков импульсов соответственно , выходы последних присоеди00 нены к первому и второму входам первого счетно-решающего блока, выход которого подключен к первому входу 4: второго счетно-решающего блока, второй , третий и четвертый входы котоГ 100 рого присоединены к выходам перво го, второго и третьего задатчиков соответственно, а выход -подключен к регистрирующему прибору.

Description

Изобретение относитс  к устройст вам, измер ющим коэффициент пропускани , и может быть применено дл  автоматического контрол  смесей веществ фотоэлектрическим методом. Известны устройства, осуществл ю щие фазометрическое измерение оптического поглощени , которые содержат источник излучени , блок обтюра тора, измерительную кювету, приемни излучени , усилитель, генератор опо ного напр жени , схему автоматической регулировки усилени  (АРУ), син хронный детектор, вторичный прибор. Данные устройства измер ют напр  жение, пропорциональное косинусу угла сдвига фаз результирующего сиг нала и опорного напр жени  с помощью синхронного детектора, причем .амплитуду результирунвдего сигнала стабилизируют схемой АРУ 1, Недостатком известных устройств  вл етс  их сравнительно больша  погрешйость, одним из источников ко торой  вл етс  наличие в результирую щем сигнале гармонических составл ю щих основной частоты, которые внос  погрешности при синхронном детектировании . Другим источником погрешности  вл ютс  ошибки регулировани  при работе схемы АРУ, применение которой , также не позвол ет постигнуть высокой надежности измерений. Наиболее близким техническим решением к изобретению  вл етс  цифровой фотометр, содержащий излучатель по ходу излучени  которого .установлены конденсор, светофильтры, обтюратор , измерительна  кювета, объектив и фотоприемник, подключенный к входу усилител , генератор опорного напр жени  и регистрирующий прибор 2 Недостатком известного устройства  вл етс  его сравнительно невысока  точность измерений. Погрешности в измерении коэффициента поглосцени  внос т ошибки в уста новлении начального фазового сдвига ошибки измерени  фазы сигнала в процессе исследовани  вещества, погрешности стабилизации амплитуды схемой АРУ, нелинейность градуировочной характеристики , ошибку измерени  напр  жени  вторичным прибором. Кроме того присутств е в результирующем сигнале гармоник основной частоты отрицатель но сказываетс  на точности измерени  фазы результирующего сигнала с.помощью синхронного детектора. Шкала известного устройства определ етс  не только величиной поглс дени , но и фа зовым сдвигом между рабочим и сравнительным-потоками излучени , а также отношением m амплитуды рабоче го потока без поглощени  к амплитуде сравнительного потока. Нестабильность этих параметров также вносит погрешность в измерени . Or-ношение m и фазовый сдвиг выступают в качестве параметров известного устройства. Измерение этих параметров устройств.ом не производитс , поэтому его шкала без применени  дополнительных устройст-в не определ етс , что также  вл етс  недостатком известного устройства. Цель изобретени  - повышение точности измерений. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее излучатель , по ходу излучени  которого установлены конденсатор, светофильтры , обтюратор, измерительна  кювета, объектив и фотоприемник, подключенный к входу усилител , генератор опорного напр жени  и регистрирующий прибор, введены, непрозрачный диск с отверсти ми, заслонка с механизмом перемещени , установленные перед обтюратором по ходу излучени , генератор высокой частоты, компаратор, .два триггера, три схемы И, два счет чика импульсов, схема НЕ, три задат чика , два счетно-решающих блока, |а обтюратор выполнен в виде бесконечной ленты с окнами, причем форма просечки отверсти  непрозрачного диска соответствует фигуре, образованной двум  полусинусоидами, выход усилител  подключен к первому входу компаратора, второй вход которого присоединен к шине нулевого уровн , д. рыход подключен к входу схемы НЕ и к счетному входу второго триггера, инверсный выход которого присоединен к третьему входу первого счетно-решающего блока и к второму входу третьей схемы И, первый вход которой подключен к выходу схемы НЕ, а выход присоединен к п тому входу второго счетно-решающего блока и к обнул ющим входам счетчиков импульсов и первого триггера, счетный вход которого подключен к выходу генератора опорного напр жени , а инверсный . выход присоединен к. третьему входу первой схемы И, пр мой выход второго триггера подключен к первым входам перв.ой и второй схем И, вторые входы которых присоединены к генератору высокой частоты, а их выходы подключены к счетным входам первого и второго счетчиков импульсов соответственно , выходы последних присоединены к первому и второму-входам первого счетно-решающего блока, выход которого подключен к первому входу второго .счетно-решающего блока, второй, третий и четвертый входы которого присоединены к выходам первого, второго и третьего задатчиков соответственно , а выход подключен к регистрирхтощему прибору. На фиг. 1 представлена блоксхема устройства; на фиг. 2 - схема модул тора; на фиг. 3 - векторна  диаграмма сигналов на выходе усилител ; на фиг. 4 - временные диаграммы потоков излучени ; на фиг, 5 - временные диаграммы, по сн ющие работу электронной схемы.

Устройство содержит иэлучатель 1 по ходу излучени  которого установлены конденсатор 2, светофильтры 3 и 4, заслонка 5 с механизмом перемещени , непро.зрачный диск 6 с отверсти ми , обтюратор 7, измерительна  кювета 8, объектив 9 и фотоэлемент 10. Устройство также содержит двигатель 11, привод щий в движение, обтюратор , генератор 12 опорного напр жени , генератор 13 высокой частоты, компаратор 14, усилитель 15, первый триггер 16, второй триггер 17, схема НЕ 18, перва  схема И 19, втора  схема И 20, треть  схема И 21 первый счетчик 22 импульсов, второй счетчик 23 импульсов, второй задатчик 24, первый задатчик 25, первый счетнорешающий блок 26,третий задатчик 27, второй счетно-решающий блок 28, регистрирующий прибор 29.

На фиг. 4 изображены эпюры напр жений 30 на выходе усилител j31.на выходе компаратора, 32 - на пр мом выходе второго триггера, 33 - на его инверсном выходе, 34 - на выходе схемы НЕ, 35 - на выходе генератора опорного напр жени , 36 - на выходе третьей схемы И, 37 - на инверсном выходе первого триггера, 38 на выходе генератора высокой частоты , 39 - на выходе первой схемы И, 40 - на выходе второй схемы Hj на фиг. 5 представлены временныедиаграммы сравнительного и рабочего потоков излучени  на входе и измерительные кюветы 41 и 42 соответ ственно,сравнительного на выходе измерительной кюветы 43, рабочего без поглощени  на выходе кюветы 44, рабочего на выходе кюветы, заполненной исследуе1 «лм веществом 45, суммарного потока без поглощени  рабочего 46, суммарного потока при условии, что рабочий прошел слой исследуемого вещества 47; PJJ, , Р, , Р РЗО PJ - амплитуды потоков; В - полувысота отверсти  непрозрачного диска; А, А Й21 3(Г 3 векторы сравнительного , рабочего без поглощени  рабочего в услови х поглс денй , суммарного без поглоцени , суммарного (результирующего) в услови х поглощени  электрических сигналов на выходе усилител , соответственно ц , г f( И 4j - фазы этих сигналов, UQJ, - вектор опорного напр жени .

Фотоэлемент 10 подключен к усилителю 15, выход которого подключен к первому входу компаратора 14, второй вход которого присоединен к шине нулевого уровн , а выход подключен к входу схемы НЕ 18 и к счетному входу второго триггера 17, инверсный выход которого присоединен к третьему входу первого счетно-решающего блока 26, и к второму входу третьей схемы и, первый вход которой подключен к выходу схемы НЕ 18, а выход присоединен к п тому входу вто рого счётно-решающего блока 28 и к обнул ющим входам счетчиков 22-и 23

0 импульсов,.и первого триггера 16, счетный вход которого подключен к выходу генератора 12 опорного напр жени , а инверсный выход присоединен к третьему входу первой схемы И 19,

5 пр мой выход второго триггера 17 подключен к первым входам первого 19 и второй 20 схем И, вторые входы которых присоединены к генератору 13 высокой частоты, а их выходы подклю0 чены к счетным входам первого 22 и второго 23 счетчиков импульсов соответственно , выходы последних присоединены к первому и второму входам первого счетно-рииающего блока 26,

5 - выход которого подключен к первому входу второго счетно-решак цего блока 28, второй, третий и четвертые вхотды которого присоединены к выходам первого 25, второго 24 и третьего

27 задатчиков соответственно, а выход подключен к регистрирующему прибору 29.

Устройство работа.ет следующим ; образом.

конденсор 2 направл ет поток лу5 чей, созданный излучателем 1, параллельным пучком через светофильтры 3 и 4 и отверсти  диска 6 на обтюра-. тор 7. Отверстие непрозрачного диска, 6 симметрично относительно оси X

0 (фиг. 2). Форма просечки верхней половины отверсти  описываетс  выргикением YrB-cos-A. Ширина отверсти  равна ширине окна обтюратора. При движении обтюратора открыта  (закрыта )

5 площадь S(х) отверсти  зависит от перемещени  X окна в сюответствии с выражением

S(K)2.|&cosxdx J Bsinx-i-С ,

где С - посто нна  интегрировани .

41 и 42 (фиг. 5) - временные диаграммы подтоков, модулированных обтюратором по синусоидальному закону. Фазовый сдвиг между потоками определ етс  рассто нием между центрами отверстий непрозрачного диска. Эти два модулированных по синусоидальному закону потока излучени  проход т через измерительную кювету 8, причем

амплитуда Р сравнительного потока практически не измен етс  (41, 43), а а:мплитуда рабочего потока уменьшаетс , если в кювете происходит.поглощение исследуемым веществом, или

л актически не измен етс , если в

кювете происходит поглощение исследуемым веществом, или практически Не измен етс , если в кювете 8 находитс  вещество, не поглсадакадее излучение (42, 44, 45). Отношение (D) /PjQ выражает коэффициент пропускани  вещества, наход щегос  в кювете 8. Сравнительный и рабочий поток излучени  суммируютс  с помощью объектива 9 на фотокатоде фотоэлемента 10 (46 и 47). Фотоэлемент преобразует суммарный поток излучени  в пропорциональное ему электрическое напр жение, переменна  составл юща  которого усиливаетс  усилителем 15. На выходе усилител  наблюдаетс  переменное напр жение синусоидальной формы (30) - результирующий сигнал, амплитуда которого (А или АЗР) пропорциональна амплитуде (Рили РЗО ) переменной составл ющей суммарного потока излучени . Результируквдий сигнал можно представить в виде суммы сравнительного сигнала амплитуда которого (Aj,) пропорциональна амплитуде (Р,,) переменной составл ющей сравнительного потока излучени  и рабочего сигнала, амплитуда которого (Aj или Ajg) -пропорциональна амплитуде (Pj или PJQ) переменной составл ющей рабочего потока. Фазы сигналов могут не совпадать с фазами соответствующих потоков излучени , однако фазовые сдвиги между потоками равны фазовым сдвигам между электрическими сигналами, поскольку все они  вл ютс  синусоидальными функци ми времени и подвергаютс  линейным преобразовани м фотоэлементом и усилителем. За начало отсчета фаз прин та фаза опорного напр жени .

Выразим коэффициент чО- через амплитуды сигналов (фиг. 3)

(1)

20 20 1 известные соотношени 

(f ::

Л созЧ +А2о 2 30

(3)

А .cosV

получим

Л ()

(1 % (.)

, (

14

, ,f

Подставим выражени  (4) и (5) в (1) и получим

. : MViolf:lVg ,,,

5 -5,n(()

Как следует из формулы (6), коэффициент пропускани   вл етс  функци-.

д ей четырех фаз, причем фазы f / V / Vjg выступают в качестве параметров фотометра, а фаза Ч, зависит от пропускани .

Фазы и к.оэффициент пропускани  определ ют с помощью электронной

схемы, котора  работает следующим Образом.

.В момент времени изменени  знака величины мгновенного значени  результирующего сигнала с отрица тельного на положительный (30) на выходе компаратора 14 устанавливаетс  сигнал, соответствующий логической 1 на врем , равное половине периода Т модул ции. (31). Передний

5 фронт этого сигнала переключает второй триггер 17,на пр мом и инверсном выходах которого форг шр тотс  сигналы 32 и 33. Генератор 12 опорного напр жени  формирует один им0 пульс 35 эа период Т длительностью Т/2. Передний фронт этого импульса переключает первый триггер 16, на инверсном выходе которого наблюдаетс  сигнал 37. Цепь инверсный выход

5 второго триггера - выход схемы НЕ выход третьей схемы И - обнул ющий вход первого триггера предназначена дл  согласовани  работы триггеров.

Допустим, фотометр включен в мо0 мент времени t (фиг. 4) и на пр мом выходе второго триггера устанавливаетс  положительный -потенциал, соответствующий логической

а на

инверсном выходе первого триггера нулевой потенциал, соответств5пощий логическому О . Втора  схема И начинает пропускать импульсы 40 с выхода генератора 13 высокой частоты на выход второго счетчика 23. В момент времени tj первый триггер переключаетс  сигналом (35) с выхода генератора 12, и на его инверсном выходе (37) устанавливаетс  . Перва  схема И начинает пропускать импульсы (39) на вход первого счетчика 22. В мЬмент времени tj сигнал с выхода компаратора переключает второй триггер, на пр мом выходе которо (32), запрего устанавливаетс 

щаниций прохождение высокочастотных импульсов через первую и вторую схемы И на входы счетчиков. Одновременно , на инверсном выходе второго триггера (33) устанавливаетс  единичный сигнал, передний фронт которого запускает блок 26 и подготавливает

третью схему И. Блок 2Ь вычисл ет отношение числа импульсов, накопленного в первом счетчике, к числу импульсов , накопленному во втором счетчике , и умножает это отношение на 2П радиан, т.е. вычисл ет фазу сигнала, . поступающей на вход компаратора относительно фазы опорного напр жени , в момент времени i на выходе третьей схемы И (36) по вл етс  импулЬс, передний фронт которого обнул ет счетчики и запускает блок 28. На первый вход блока 28 поступает число с выхода блока 26, соответствующее фазе fj результирующего сигнала, на его второй вход поступает число, установленное на первом задатчике 25, соответствующее фазе Чт сравнительного сигнала, на третий вход поступает число, установленное на втором задатчике 24, соответствующее фазе Ч рабочего сигнала , на четвертый - число, установленное на третьем задатчике, соответствующее фазе з, суммарного (результирующего ) сигнала без поглощени . Блок 28 реализует следующий алгоритм а(Ч2-Чзд) ; в:(Чз-%); а: sin а; в: Sin в; в: () с: (Чг зЬ в: Sir в; .nc; (где а, в, с - идентификаторы переменных ) . Таким образом, блок 28 производит вычислени  по формуле (6) и посылает число, соответствующее коэффициенту пропускани  на вход регистрирующего прибора 29. В приведенном примере исходного состо ни  триггеров первое после включени  фотометра показание регистрирующего прибора 29 будет неверным, поскольку триггеры не были согласованы. В момент времени t (фиг. 4) на обнул ющий вход первого триггера приходит сигнал с выхода третьей схемы И (36), который согласует дальнейшую работу триггеров. Тогда, в течение следующих измерительных периодов оба предварительно обнуленных счетчика начнут работу в момент времени изменени  знака величины.мгновенного значени  сигнала с отрицательного на положительный. Первый счетчик прекратит работу в момент времени по влени  переднего фронта опорного на-гпр жени , второй - через период Т после начала счета.

Таким образом, в течение одного периода модул ции в первом счетчике накапливаетс  число, пропорциональное промежутку времени f(фиг. 4) между моментом времени пересечени  нулевого уровн  сигналом и моментом времени по влени  переднего фронта опорного напр жени , а во втором число , пропорциональное периоду модул ции Т. В течение следующего периода работают счетно-решающие блоки , вычисл   фазу сигнала и коэффициент пропускани . В следующий период снова измер ютс  величины Т и Т и т.д.

Настройка устройства с целью определени  его параметров производитс  следующим образом.

На .выход блока 26 устанавливают регистрирующий прибор и полностью перекрывают рабочий поток излучени  с помощью заслонки 5. В этом случае фотометр измер ет фазу сравнительного сигнала, которую считают с регистрирующего прибора и устанавливают на первом задатчике. На втором задатчике устанавливают фазу рабочего сигнала аналогично, перекрыва  сравнительный поток излучени . Фазу результирующего сигнала без поглощени  измер ют и устанавливают на третьем задатчике аналогично при воздействии на фотоприемник суммарного потока излучени  без поглс цени  рабочего потока, дл  чего в измерительную кювету 8 помещают предварительно вещество, не поглощающее излучени  в интерес5пощей области спектра .

Изобретение позвол ет повысить точность измерений, так как необходимости устанавливать начальный фазовый сдвиг, равный 90°(например, с помощью механического перемещени  датчика генератора опорного напр жени ) поскольку коэффициент D зависит не от самих фаз, а от их разностей. Следовательно , в устройстве отсутствует ошибка установлени  начального фазового сдвига (ошибка установки нул ).

Величина амплитуды результирующего сигнала не оказывает вли ние на измерени  предлагаемым устройством, поэтому в его состав не входит схема АРУ, а следовательно, отсутствует ошибка, вносима  в измерение коэффициента пропускани  погрешностью ее работы.

Таким образом, устройство измер ет поглсицение (коэффициент пропускани ) с большей точностью, поскольку оно свободно минимум от двух составл ющих погрешности: ошибки установки нул  и ошибки стабилизации амплитуды схемой АРУ

Кроме того, определенность формы сигналов на входе электронной схемы (синусоида) в устройстве позвол ет с большей точностью определить зависимость коэффициента пропускани  от фаз этих сигналов (формула 6).

I

29 Фиг.

cput.

Claims (1)

1. ЦИФРОВОЙ ФОТОМЕТР, содержащий излучатель, по ходу излучения которого установлены конденсатор, светофильтры, обтюратор, измерительная кювета, объектив и фотоприемник, подключенный к входу усилителя, генератор опорного напряжения и регистрирующий прибор, отличающийс я тем, что, с целью повышения ' точности измерений,, в него введены непрозрачный диск с отверстиями, заслонка с механизмом перемещения, установленные перед обтюратором по ходу излучения, генератор высокой частоты, компаратор, два триггера, три схекм И, два счетчика импульсов, схема НЕ, три задатчика и два ёчетно-решающиХ;блока, а обтюратор выполнен в виде бесконечной ленты с окнами, причем форма отверстия непроз- рачного диска соответствует фигуре, образованной двумя полусинусоидами, выход усилителя подключен к первому входу компаратора, второй вход которого присоединен к шине нулевого уровня, а выход подключен к входу схемы НЕ и к счетному входу второго триггера, инверсный выход которого присоединен к третьему входу первого счетно-решающего блока и к второму входу третьей схемы И, первый вход которой подключён к выходу схемы НЕ, а выход присоединен к пятому входу второго счетно-решающего блока и к обнуляющим входам счетчиков импульсов и первого триггера, счетный вход, которого подключен к выходу генератора опорного напряжения, а инверс- “ ный выход присоединен к третьему входу схемы И, прямой выход второго триггера подключен к первым входам первой и второй схем И, вторые входы которых присоединены к генератору высокой частоты, а их выходы подключены к счетным входам первого и второго счетчиков импульсов соответственно, выходы последних присоединены к первому и второму входам первого счетно-решающего блока, выход которого подключен к первому входу второго счетно-решающего блока, второй, третий и четвертый входы которого присоединены к выходам первого, второго и третьего задатчиков соответственно, а выход подключен к регистрирующему прибору.

   SU.„. 1081431