SU1163159A1 - Двухволновый фотометр - Google Patents

Abstract

ДВУХВОЛНОВОЙ ФОТОМЕТР, содержащий источник излучени , оптически св занный с двум  монохроматорами , переключатель монохроматоров с подключенным к нему генератором тактовых импульсов, который соединен с установочным входом счетчика, кюветное отделение, оптически св занное с фотоприемником, соединенным с пороговым устройством, выход которого II 1 й fet v:ijrtJjA через элемент И соединен со счётным входом счетчика, отличающи йс   тем, что, с целью повьппени  точности измерений, в него введены оптический разделитель, второй фотоприемник , дифференциальный усилитель, генератор опорной частоты, а также последовательно соединенные цифровой регистр, цифроаналоговый преобразователь и интегратор, при этом оптический разделитель установлен между монохроматором и кюветным отделением и оптически св зан с вторым фотоприемником , который подключен к входу дифференциального усилител , причем генератор опорной частоты подключен к второму входу элемента И, цифровой (Л регистр подключен к вьгходу счетчика, а выход интегратора соединен с вторым входом дифференциального усилител , выход которого по/ключен к источнику излучени , генератор тактовых импульсов соединен с входами синхронизации генератора опорной частоты, о: цифрового регистра и интегратора. О9 ел г

Description

I1

Изобретение относитс  к фотометрии , а именно к области построени  двухволновык фотометрических устройс дл  анализа состава структуры и качества различниК веществ.

Известны приборы, предназначенные дл  анализа состава исследуемых веществ , содержащие источник излучени  монохроматор, фотоприемник и регистрирунвдее устройство. Эти приборы стро тс  по нулевой, разделительной или фазометрической схемам (,у ,

Недостатками этих устройств вл ютс  изменение мощности излучени  при изменении длины волны, предостав ление результата измерени  отдельно дл  каждой волны, а также недоста™ точные стабильность и точность.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности  вл етс  двухволновой фотометр, содержащий источник излучени , оптически св занный с двум  монохроматорами, переключатель монохроматоров, кюветное отделение , оптически св занное фотоприемНИКОМ , соединенным с пороговым устройством , выход которого через элемент И соединен со счетным входом счетчика, а также генератор тактовых импульсов, подключенный к переключателю монохроматоров и установочному входу счетчика, кроме того, в устройство вход т восстановитель посто нной составл ющей, эталонный поглотитель и переключатель эталонного поглотител  2j ,

Недостатками известного устройства  вл ютс  низка  точность измерений за счет формировани  на выходе разности ( а не отношени  ) коэффициентов пропускани  исследуемого вещества на анал,штической и эталонной длинах волн, вли ние отличий в спектральной чувствительности фотоприемника , погрешности установки эталонного поглотител , различи  в мощности светового потока на выходе монохроматоров, а также погрешности восстановител  посто нной составл ющей и других факторов.

Целью изоб -етени   вл етс  повышение точности измерений.

Цель достигаетс  тем, что в двухволновой фотометр f, содержащий источник излучени , оптически св занный с двум  монохроматорами, переключатель монохроматоров с подключенным к нему генератором тактовых

592

импульсов, который соединен с установочным входом счетчика, кюветное отделение, оптически св занное с фотоприемником , соединенным с пороговым устройством, выход которого через элемент И соединен со счетным входом счетчика, введены оптический разделитель, второй фотоприемник, дифференциальный усилитель, генератор опорной частоты, а также последовательно соединенные цифровой регистр , цифроаналоговый преобразователь и интегратор, при этом оптический разделитель установлен между монохроматором и кюветным отделением и оптически св зан с вторым фотоприемником , который подключен к входу дифференциального усилител , причем генератор опорной частоты подключен к второму входу элемента И, цифровой регистр подключен к выходу счетчика, а выход интегратора соединен с вторым входом дифференциального усилител , выход которого подключен к источнику излучени , генератор тактовых, импульсов соединен с входами синхронизации цифрового регистра, интегратора и генератора опорной частоты.

На чертеже представлена структурна  схема двухволнового фот ометра. I

Устройство содержит генератор тактовых импульсов, источник 2 излучени , оптически св занный через первый монохроматор 3 на аналитическую длину волны или через второй монохроматор 4 на эталонную длину волн с оптическим разделителем 5, С оптическим разделителем 5 св заны один фотоприемник 6 и через кюветное отделение 7 другой фотоприемник 8, которьй подключен к входу порогового устройства 9, выход которого соединен с первым входом элемента И 10. Второ вход элемента И 10 подключен к выходу генератора I опорной частоты, а выход соединен со счетным входом счетчика 12, которьй подключен к последовательно соединенным цифровому регистру 13, цифроаналоговому преобразователю 14, интегратору 15 и дифференциальному усилителю 16. К второму входу дифференциального усилител  16 подключен второй фотоприемник 6, а выход дифференциального усилител  16 соединен с источником 2 излучени  Монохроматоры 3 и 4 св заны с переключателем 17 монохроматоров, вход 3 которого соединен с генератором 1 т товых импульсов и подключен к входа синхронизации интегратора Л5, цифрового регистра 13, генератора-11 опорной частоты и установочному вхо счетчика 12, Устройство работает следующим об разом. Генератор i тактовых импульсов формирует последовательно во времен два тактовых импульса, которые поступают на вход переключател  17 мо нохроматоров, входы синхронизации и тегратора 15, цифрового регистра 13 генератора 11 опорной частоты и на установочный вход счетчика 12. В пе вом такте работы устройства переклю чателем 17 монохроматоров в оптичес кий тракт вводитс  первый монохрома тор Зна аналитическую длину волны А а во втором такте - второй монохром тор 4 на Э1апонную длину волны j С приходом первого тактового импульса в цифровом регистре 13 устан Ливаетс  код Ng заранее з.аданного числа. Этот код поступает на вход цифроаналогового преобразовател  14 которьй формирует на выходе сигнал Ug- максимальное напр жение на выходе преобразовател  14 при подаче на его вход максимального кода N. Напр жение с вы хода преобразовател  14 поступает на вход интегратора 15, в котором с приходом тактового импульса начинаетс  процесс интегрировани . На выходе интегратора 15 формируетс  напр жение U,, (t)U,t/T, где Т - по сто нна  времени интегрировани , а t - текущее значение времени, Под ставив в последнее выражение значение и , получаем и„,(г) Сигнал с выхода интегратора 15 поступает на второй вход дифференциального усилител  16, на первый вход которого поступает сигнал с выхода второго фотоприемника 6. Раз ность входных сигналов усиливаетс  дифференциальным усилителем 16 и поступает на источник 2 излучени . Сигнал на выходе дифференциального усилител . 16 должен иметь достаточную мощность дл  управлени  световым потоком источника 2 излучени  Часть светового потока от источника 2 излучени , пройд  монохроматор 3, оптический разделитель 5, поступает 594 на второй фотоприемник 6, ко горым преобразуетс  в электрический сигнал. Так образуетс  отрицательна  обратна  св зь, в контур которой включен один из оптических каналов устройства . Дифференциальный усилитель 16, вход щий в контур отрицательной обратной св зи, формирует на выходе сигнал, который управл ет величиной светового потока источника 2 излучени  так, чтобы в каждый момент времени разность сигналов на входах дифференциального усилител  16 была минимальна . Если обозначить световой поток длиной волны Д на входе оптического разделител  5 через o( тогда часть потока, падающего на второй фотоприемник 6, будет K7(i)o(ll,-t, где г () коэффициент делени  светового потока оптическим разделителем 5 в направлении второго фoтoпpиe шикa 6« Друга  часть светового потока про- ходит оптический разделитель 5 и падает на кюветное отделение 7. Эта часть потока будет Jf, (,)Рр(ft,,t) . Коэффициент 1(, (л,) определ ет часть потока (ft,,i), проход щего оптичес-г кий разделитель 5 в направлении кюветного отделени  7. Если коэффициент пропускани  кюветы с исследуемым веществом дл  длины волны i, обозначить через S (,) , то на фотоприемник 8 падает световой поток К (.1 к (i)P.5(Л,t).Фотоприемники 8 и 6 формируют соответственно электрические сигналы иф,(Л1 ,n{fl,U,(,(,,t), (2) ,и.(гОК2(,)Ф„(А,,1), (3) де 5, (р,) и 2 () чувствительность оответственно фотоприемников 8 и 6 л  излучени  с Л;( , При большом коэффициенте усилени  ифференциального усилител  16 (при аботе в зоне устойчивости), который ходит в контур отрицательной обратой св зи, можно считать, что сигнаы на входах усилител  16 равны, т.е. ipj(a,ii) („Д). Учитыва  последнее выажение и формулу (З), найдемР,(1,,4:) П, (Л,. Подставив полученое значение ФоСй, ,t) в выражение (2) аскрывают U(t) в соответствии с (1) U(p,U.,t UoNoS,l,)J(OK,(i,H/ /Nr„T6гUJKг(,l. Линейно измен ющеес  напр жение (J ) с выхода фотоприемника 8 поступает на вход порогового устройства 9, В момент времени t, после начала первого такта напр жение U(p (,t,) становитс  равным пороговомунапр жению Uf, и пороговое устройство 9 срабатывает, поэтому можно написать U U ( 7, t, ). Учитыва  nOLUnf a lO- wnj-vn j-i--, последнее Отношение и выражение (4), .л,г,ы« ггЭлиДДИг ff i,-U,,iV2bn/UoN 5,(,U,(X,) После срабатывани  порогового уст ройства 9 на его выходе формируетс  сигнал, который поступает на первый вход элемента И 10 и закрывает его. На второй вход элемента И 10 поступают счетные импульсы с частотой еле довани  fg с генератора 11 опорной частоты. Генератор I начинает свою работу с приходом на вход синхронизации тактового импульса с генератора 1 тактовых импульсов. Поэтому число импульсов п, прошедших элемент И 10 в первом такте, равн етс  n,f«t. или, учитыва  (5), получи О tf f loUnNmT гt ЛKг(0 UoNoe,{ iOSU. С приходом переднего фронта такто вого .импульса на установочный вход счетчика 12 в нем устанавливаетс  ну левой код. Импульсы с выхода элемента И 10 поступают на счетный вход . счетчика 12, поэтому в первом такте в счетчике 12 будет записан код числа п, , которое характеризует оптиче кие свойства вещества на длине волны , После окончани  первого такта код числа П| переписываетс  из счетчика 12 в цифровой регистр 13. Во втором такте в оптический канал вводитс  монохроматор 4 на эталонную длину волны Л 2 , Записанный в цифровом регистре 13 код числа п поступает на вход преобразовател  14, на выходе которого, формируетс  сигнал и n,Ug/Nj. Этот сигнал поступает на вход интегратора 15, на ходе которого формируетс  линейно измен ющеес  напр жение (t) Urtt/T или, подставив значение U, получим Un2(t) , (7) П 6 Выражение (7) получено аналогичо выражению (1 ) и все вход щие в его обозначени  определены. Во втором такте, как и в первом, устройстве действует контур отицательной обратной св зи, в котоый вход т те же элементы, т.е. исочник 1 излучени , оптический канал, ключающий второй монохроматор 4,оп ический разделитель 5, фотоприемик 6, дифференциальный усилитель 10. а выходе дифференциального усилител  16 формируетс  сигнал, корректируилций световой поток источника 1 излучени  так, чтобы сигнал на выходе фотоприемника 6 соответствовал сигналу на втором входе дифференциального усилител  16. На выходах фотоприемников 8 и 6 во втором такте сигналы соответственно будут ,Ui,iV-o,U,f.U,)K,()oUz,t)-, (8) )5,U,)V2{ь)Po(.,t), (9) где 5. (л)и 2 ((j)- чувствительность соответственно фотоприемников 8и 6 дл  длины волны 1,(-Д,)и К2( коэффициенты делени  светового потока оптическим разделителем 5 в направлении фотоприемника 6 и кюветного отделени  7; (г1 коэффициент пропускани  исследуемого вещества на эталонной длине волны; т (д 4) - световой поток,падающий на оптический разделитель 5. Вследствие воздействи  контура отрицательной обратной св зи сигналы на входах дифференциального усилител  16 равны, т.е. (Jtpj(Ji,t) fJn, (.t). Из последнего соотношени  и выражений (7 ) и (9 находим Фо. ь Ьи М/М Т5г{ДгНг(Лг Подставиви полученное выражение в (в), получаем (.) ooj, Сигнал с выхода фотоприемника 8 поступает на вход порогового устрой ства 9, которое срабатывает в момен времени t после начала второго так Дл  этого момента времени выполн ет с  соотношение (ДА2,iz). Учитыва  это равенство и выражение (10), находим te ().Uo5,(i,lK,(iil( С приходом переднего фронта второ го тактового импульса на вход синхро низации счетчика 12, в последнем устанавливаетс  нулевой код. На счетны вход счетчика 12 через элемент И 10 поступает число импульсов .T., поскольку генератор 11 опорной часто ты начинает формировать счетные импульсы с приходом тактового импульса Учитыва  два последних выражени , на ходим ,)Кг1Лг)1 /п,и„5Д 2 К,()(Л,). Подставив в полученное выражение значение П( из (6), получаем ,l,)Xj,()k,,) 2(,1 5,(A,K,()Kг(A) ( М ГиГ) где а Мо5гК)5,(М)(г(Лги11 Л/. /5,1ХЛ52(, посто нный коэффициент, который выбО ром Np можно установить равным единице . Счита  b(,l , гдебд коэффициент пропусканк : исследуемого объекта, которьй находитс  во внешней среде с коэффициентом пропускани  С , найдем .Sff , Таким образом , на счетчик 12 во втором такте поступает число импульсов п, пр мо пропорциональное отношению коэффици- ентов пропускани  исследуемого вещества на двух длинах волн. Информаци  со счетчика 12 может быть счита- .на после окончани  второго такта работы устройства. На работу предложенного устройства не вли ют: величина посто нной времени Т интегратора 15, напр жение Ufj порога срабатывани  порогового устройства 9, частота f генератора 1 опорной частоты, напр жение U и код N преобразовател  14. Кроме того, .за счет двухлучевой оптической схемы и введени  в устройство отрицательной обратной св зи, в контур которой включен один из оптических каналов, на результат измерени  не вли ет за- висимос ъ чу ;ствительности фотоприемников от длины волны излучени  и разница в световых потоках.формируемых на двух длинах волн. Рассмотрим коэффициент а в конечном выражении дл  П2. В этот коэффициент входит отношение спектральных чувствительностей фотоприемников 6 и 8. Введем обозначение (a,)/5,(l,) дл  длины волны if . Будем считать, что фотоприемники 6 и 8 одного типа, тогда на длине волны Д их чувствительность , например, возрастает соответственно на и52 и и 5, поэтому можно написать5,(,й5и52(.((f,1 ьЭ. Следовательно, на длине волны 7 коэффициент В изменитс  на & В и станет равным В + йВ 5zi7,). Найдем относительную погрешность изменени  В как 5 В U В/В .l 852-65, о & -:- .v ::-:- -( , где85,-й5,/5,(а,1и832-й52/5т(Ал) - относительные погрешности изменени  чувствительности соответственно фотоприемников 8 и 6 при изменении длины волны излучени . Известное устройство построено по однолучевой оптической схеме, поэтому в нем работает один фотоприемник, у которого при изменении длины волны измен етс  чувствительность на йб 5((,. Относительна  погрешность измерени  S 5 - л5/5() Из сравнени  выражений дл  §В и об видно, что предложенное устрой- ство имеет меньшую погрешность определени  отношени  спектральных коэффициентов пропускани  исследуемого вещества по сравнению г однолучевой оптической схемой. Это следует из того , что в числителе выражени  дл  8 В стоит разность погрешностей, а знаменатель больше единицы, поэтому 8В 83,если S5 Sg,.;. В предпоженном ус .ройстве за счет введени  контура отрицательной обратной св зи световые потоки регулируютс  по заданной завис 1мости. На обоих длинах волн эти потоки непрерывно при измерении контролируютс  уже на выходе монохроматоров и лю91163

бой возникающий разбаланс устран етс  с быстродействием, определ еьмм элементной базой устройства. Необходимо только, чтобы фотоприемник 6, ВХОДЯ1ЦИЙ в контур отрицательной об- 5 ратной св зи, обладал линейной энергетической характеристикой фототока. Второй фотоприемник 8 работает всегда в одной точке этой характеристики, соответствуюцей формированию сигнала,10 равного порогу срабатывани  лорого5910

вого элемента 9, поэтому линейность энергетической характеристики фототока дл  него не имеет значени .

Предложенное устройство формирует на выходе цифровой эквивалент отношени  коэффициентов пропускани  на двух длинах волн. При этом в процесс аналого-цифрового преобразовани  включен оптический канал, что также повьппает точность .измерений по сравнению с иэвестиым устройством.

Claims (1)

1. ДВУХВОЛНОВОЙ ФОТОМЕТР, содержащий источник излучения, оптически связанный с двумя монохроматорами, переключатель монохроматоров с подключенным к нему генератором тактовых импульсов, который соединен с установочным входом счетчика, кюветное отделение, оптически связанное с фотоприемником, соединенным с пороговым устройством, выход которого через элемент И соединен со' счётным ‘ входом счетчика, отличающи йс я тем, что, с целью повышения точ—· ности измерений, в него введены оптический разделитель, второй фотоприемник, дифференциальный усилитель, генератор опорной частоты, а также последовательно соединенные цифровой регистр, цифроаналоговый преобразователь и интегратор, при этом оптический разделитель установлен между монохроматором и кюветным отделением и оптически связан с вторым фотоприемником, который подключен к входу дифференциального усилителя, причем генератор опорной частоты подключен к второму входу элемента И, цифровой регистр подключен к выходу счетчика, а выход интегратора соединен с вторым входом дифференциального усилителя, выход которого подключен к источнику излучения, генератор тактовых импульсов соединен с входами синхронизации генератора опорной частоты, цифрового регистра и интегратора.

   1163