SU1516803A1 - Спектрофотометр - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к оптическому приборостроению, в частности к спектрофотометрии, и может быть использовано дл  измерени  спектральных коэффициентов пропускани  веществ. Цель изобретени  - повышение точности фотометрических измерений и расширение динамического диапазона устройства. Спектрофотометр содержит источник 1 излучени , монохроматор 2, набор селективных светофильтров 3, набор нейтральных ослабителей 4, светоделитель 5, кюветное отделение 6, приемно-усилительный блок 7, устройство 8 обработки данных, устройство 9 индикации, схему сравнени . Схема сравнени  включает компараторы 10 и 11. Имеютс  также источник 12 опорных напр жений, схемы И 13 и 14, сервопривод 15, датчик 16 нейтральных ослабителей, схема И 17. Приемно-усилительный блок 7 содержит фотоприемник, усилитель, синхронный переключатель, регул тор усилени , содержащий генератор импульсов, две схемы И, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь. 2 ил.

Description

ел

о

X)

U9

Изобретение относитс  к оптическому приборостроению, в частности к спектрофотометрии, и может быть использовано дл  измерени  спектральных коэффициентов пропускани  различных веществ.

Цель изобретени  - повышение точности фотометрических измерений и расширение динамического диапазона устройства.

На фиг. 1 изображена схема устройства; на фиг. 2 - схема приемно- усилительного блока.

Спектрофотометр состоит из источника 1 излучени , монохроматора 2 со сканирующим устройством, набора 3 селективных светофильтров дл  устранени  высших пор дков дифракции и уменьшени  уровн  мешающего излучени  с механизмом смены селективных светофильтров, набора 4 нейтральных ослабителей дл  ослаблени  потока излучени , поступающего на фотоприемник , светоделител  5 дл  разделени  потока на два, кюветного отделени  6, приемно-усилительного блока 7, устройства 8 обработки данных, устройства 9 индикации, схемы сравнени , содержащей два компаратора 10 и 11, источника опорных напр жений 12, схем И 13 и 14, сервопривода 15, датчика 16 нейтральных ослабителей, схемы И 17. Приемно-усилительный бло ( фиг. 2) включает фотоприемник 18, усилитель 19, синхронный переключатель 20 и регул тор 21 усилени , содержащий , генератор 22 импульсов, схемы И 23 и 24, реверсивный счетчик 25, цифроаналоговый преобразователь 26 и резистор 27. Выходы 28 и 29 светоделител  5 св заны с входами 30 и 31 приемно-усилительного блока 7. Выходы 32 и 33 приемно-усилительного блока 7 св заны с входами 34 и 35 устройства 8 обработки данных, содержащего цифровое вычислительное устройство с цифроаналоговым преобразователем . Выход устройства 8 обработки данных св зан с входом 36 устройства 9 индикагщи.

Выход 32 приемно-усилительного блока 7 также св зан с входом 37 компаратора 10 и входом 38 компаратора 11. Входы 39 компараторов 10 и 11 св заны с выходами 40 и 41 источника 12 опорных напр жений U и U. Выход компаратора 10 соединен с входом 42 приемно-усилительного блока 7 и

входом 43  чейки И 13. Выход компаратора 11 соединен с входом 44  чейки И 14 и входом 45 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей.

С осью сервопривода 15 механически св зан датчик 16 нейтральных ослабителей . Выход 46 датчика 16, соответствующий сигналу установки осQ лабител  из набора 4 с наименьшим значением коэффициента ослаблени , соединен с входом 47  чейки И 14. Выход  чейки И 14 соединен с входом 48 приемно-усилительного блока 7.

Выход 49 приемно-усилительного блока 7 соединен с входом 50  чейки И 13. Выход 51 приемно-усилительного блока 7 соединен с входом 52 блока 9 индикации. Выход  чейки И 13 соединен

Q с входом 53 сервопривода 15 и входом 54  чейки И 17. Выход 55 датчика 16, соответствующий сигналу установки ослабител  из набора 4 с наибольшим значением коэффициента ослаблени ,

5 соединен с входом 56  чейки 17. Выход  чейки И 17 св зан с входом 57 блока 9 индикации.

Схема приемно-усилительного блока (ПУБ) показана на фиг. 2.

Q Выход фотоприемника 18 св зан с -входом 58 усилител  19 и через резистор 27 с выходом 59 ДАЛ 26. Выход усилител  19. соединен с входом 60 ЦАП 26 и входами 61 и 62 синхронного переключател  20.

Входы 30 и 31 ПУБ 7 соединены с входами 63 и 64 синхронного переключател  20 (фиг. 2). Выходы 65 и 66 синхронного переключател  20 соеди- (

д нены с выходами 32 и 33 ПУБ 7 (фиг. 1). Вход 42 ПУБ 7 соединен с входом 67  чейки И 23 регул тора 21 усилени  (фиг. 2). Вход 48 ПУБ 7 (фиг. 1) соединен с входом 68  чейки И 24 регул с тора 21 усилени  (фиг. 2). Выход генератора 22 регул тора 21 усилени  соединен с входами 69  чеек И 23 и 24. Выход  чейки И 23 соединен с входом 70 реверсивного двоичного счетчика 25. Выход Ячейки И 24 соединен с входом 71 реверсивного двоичного счетчика 25. Информационные выходы реверсивного двоичного счетчика 25 соединены с информационными входами ЦАП 26. Выход 72 реверсивного двоичного счет чика 25 соединен с выходами 49 ПУБ 7 (фиг. 1). Выход 73 реверсивного двоичного счетчика 25 (фиг. 2) соединен с выходом 51 ПУБ 7 (фиг. 1).

5

0

(лтектрофотометр работает с:педую1цим образом.

Поток излучени  от осветител  1 поступает на вход монохроматора 2. После монохроматора поток поступает на один из селективных светофильтров набора 3, обеспечивающих устранение высших пор дков дифракции и

вход 70 реверсивного двоичного счетчика 25. При этом код на его выходах увеличиваетс  и поступает на входы цифроаналогового преобразовател  26, увеличива  коэффициент делени  выходного напр жени  усилител  19, поступающего через резистор 27 на его вход в виде отрицательной обратной

уменьшение уровн  мешающего излучени  JQ св зи, что приводит к уменьшению ко- и далее на один из нейтральных осла- - бителей набора 4, ослабл ющих поток излучени  и вводимых в поток сервоприводом 13. После нейтрального ослабител  поток поступает в светоде- 5 литель 5 и раздел етс  на два потока С и Р, где С - поток канала сравнени , Р - поток рабочего канала. Оба потока проход т кюветное отделение 6 и поступают в ПУБ 7. На выходе последнего 20 формируютс  два электрических сигнала , один из них пропорционален потоку излучени  в канале сравнени  - U, вторрй пропорционален потоку в рабочем канале Up, Оба сигнала поступают 25 на устройство обработки данных (УОД) 8, содержащее цифровое вычислительное устройство с аналогово-цифровым преобразователем. Затем информаци  поступает в устройство 9 индикации, где отображаетс  и документируетс .

Дл  вьфавнивани  сигнала в канале сравнени  при сканировании по спектру электрический сигнал, соответствующий каналу сравнени , с выхода 32 ПУБ поступает на компараторы 10 и 11. В компараторе 10 сигнал сравниваетс  со стабилизированным напр жением источника 12 опорного напр жени , соответствующим наибольшему допустимому значению сигнала канала сравнени .

В компараторе 11 сигнал сравниваетс  со стабилизированным напр жением

30

35

40

эффициента усилени  усилител  19. В итоге уменьшаетс  сигнал, поступающи на вход синхронного переключател  20 Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение Up и,. Если система достигла минимального коэффициента усилени , а со отношение Up U( сохран етс , то на выходе 72 реверсивного двоичного счетчика 25 формируетс  сигнал его переполнени , который поступает на выход 49 ПУБ 7 (фиг. 1) и далее на вход 50  чейки И 13. На вход  чейки И 13 будет поступать сигнал с выхода компаратора 10. С выхода  чейки И 13 сигнал поступает на управл ющий вход 53 сервопривода 15 набора 4 нейтраль ных ослабителей и на вход 54  чейки И 17. Сервопривод 15 вводит в поток излучени  более плотные нейтральные ослабители из набора 4, уменьша  его до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение U - U. Если введен в поток излучени  наиболее плотный ослабитель из набора 4, а условие Uj и не выполнено, с выхода 55 датчика 16 сигнал поступает на вход 56  чейки И 17 и с ее выхода на вход 57 устройства 9 индикации, информиру  о том, что поток излучени  превьш1ает допустимый уровень, и приемно-регистриру- юща  система вышла за верхний предел линейного участка амплитудной характеристики . Если уровень Uj. Ug, то на выходе компаратора 11 формируетс  напр жение, поступающее на вход 44  чейки И 14 и на вход 45 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей . При этом сервопривод 15 вводит в поток излучени  менее плотные ослабители из набора 4, увеличива  его до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение U, р. U.

U.2 источника 12 опорного напр жени , соответствующим наименьшему допусти- мому значению сигнала канала сравнени  Разница между U, и U определ етс  границами допустимых изменений сигнала сравнени . Если уровень сигнала и., превышает U|,TO на выходе компаратора 10 формируетс  напр жение, поступающее на вход 42 ПУБ 7 и на вход 43  чейки И 13. С входа 42 ПУБ 7 (фиг. 2) сигнал поступает на вход 67  чейки И 23, выполн ющей роль ключа, который в этом случае пропускает импульсы генератора 22, поступающие на вход 69  чейки И 29, на суммирующий

Q св зи, что приводит к уменьшению ко- 5 0 5

0

5

0

5

0

5

эффициента усилени  усилител  19. В итоге уменьшаетс  сигнал, поступающий на вход синхронного переключател  20. Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение Up и,. Если система достигла минимального коэффициента усилени , а соотношение Up U( сохран етс , то на выходе 72 реверсивного двоичного счетчика 25 формируетс  сигнал его переполнени , который поступает на выход 49 ПУБ 7 (фиг. 1) и далее на вход 50  чейки И 13. На вход  чейки И 13 будет поступать сигнал с выхода компаратора 10. С выхода  чейки И 13 сигнал поступает на управл ющий вход 53 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей и на вход 54  чейки И 17. Сервопривод 15 вводит в поток излучени  более плотные нейтральные ослабители из набора 4, уменьша  его до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение U - U. Если введен в поток излучени  наиболее плотный ослабитель из набора 4, а условие Uj и не выполнено, с выхода 55 датчика 16 сигнал поступает на вход 56  чейки И 17 и с ее выхода на вход 57 устройства 9 индикации, информиру  о том, что поток излучени  превьш1ает допустимый уровень, и приемно-регистриру- юща  система вышла за верхний предел линейного участка амплитудной характеристики . Если уровень Uj. Ug, то на выходе компаратора 11 формируетс  напр жение, поступающее на вход 44  чейки И 14 и на вход 45 сервопривода 15 набора 4 нейтральных ослабителей . При этом сервопривод 15 вводит в поток излучени  менее плотные осла- бители из набора 4, увеличива  его до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение U, р. U.

При введении наименее плотного ослабител  на выходе 46 датчика 16 формируетс  сигнал, поступающий на вход 47  чейки И 14. Если в этом случае соотношение Uf Ug не выполн етс , и на вход 44  чейки И 14 поступает сиг10

20

наг с компаратора 11, то с выхода И 14 сигнал поступает на вход 48 ПУБ 7. С входа 48 ПУБ 7 (фиг. 2) СНГ-нал поступает на вход 68  чейки И 24, вьтолн ющей роль ключа, который в этом случае пропускает импульсы генератора 22, поступающие на вход 69 И 24, на вычитающий вход 71 реперсивного двоичного счетчика 25, При этом код на его выходах уменьшаетс  и поступает на входы цифроанало- гового преобразовател  26, уменьша  ко;|ффициент делени  выходного напр жени  усилител  19, поступающего че- с pe;t резистор 27 на его вход в виде отрицательной обратной св зи, что приводит к увеличению коэффициента усилени  усилител  19. В итоге увеличиваетс  сигнал, поступающий на вход синхронного переключател  20. Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет обеспечено соотношение и иj. Если система достигла наибольшего коэффициента усилени , - а соотношение U. J не выполн етс , то на выходе 73 реверсивного двоичного счетчика 25 формируетс  сигнал нул , который поступает на выход 51 ПУБ 7 (фиг. 1) и далее на вход 52 устройства 9 индикации, информиру  о том, что поток излучени  ниже допустимого уровн , при котором отношение сигнал - шум ниже допустимого.

В качестве примера конкретного выполнени  рассмотрим, например, УВИ- спектрофотометр.

Осветитель 1 (фиг. 1) представл ет собой лампу накаливани  со стабилизированным блоком питани ; монохрома- тор 2 - щелевой монохроматор, собранный , например, по схеме Фасти набор 3 селективных ослабителей представл ет собой турель, в гнездах которой

установлены стекл нные или интерферен15168038

ветствует спектрагтьному кт(}к})иииенту пропускани  100%. Светоделитель 5 может быть реализован на базе вращающегос  зеркального модул тора, который с помощью системы зеркал направл ет поток попеременно то в рабочий канал кюветного отделени  6, то в канал сравнени  кюветного отделени  6, ось зеркального модул тора жестко св зана с осью генератора опорных напр жений .

ПУБ 7 может быть реализован на базе следующих элементов согласно фиг. 2: фотоприемник 18 - фотоумножитель или фотодиод; усилитель 19 - операционный усилитель 544УД1; синхронный переключатель ,20 - аналоговые ключи 590Ш5, генератор 22 и  чейки И 23 и 24 - на микросхеме 155ЛАЗ; реверсивный двоичный счетчик 25 - микросхема 155ИЕ7; цифроаналоговый преобразователь 26 - микросхема 572 ПА1.

Устройство 8 обработки данньпк (фиг. 1) - цифровое вычислительное устройство с аналого-цифровым преобразователем . Устройство 9 индикации - цифровое табло или дисплей. Компараторы 10 и 11 - по микросхеме 554САЗ.

Источник 12 опорных напр жений - обычный стабилизированный источник посто нного напр жени .

Ячейки И 13, 14и17-на микросхеме 155ЛАЗ.

Сервопривод 15 включает в себ  ша- 5 говый двигатель типа ПЩА-З и блок управлени  двигател .

Датчик 16 состоит из двух оптронных пар, диод излучающий - фотодиод из с радиальной прорезью, ось которого св зана с осью сервопривода 1 5.

Предлагаемое устройство позвол ет исключить ошибку вьфавнивани  сигнала эталона из погрешности фотометрии, так как фотометрические величины вычисл ютс  относительно фактического сигнала эталона; обеспечить возможность осуществлени  оптимального выбора логической схемой одного из двух механизмов дл  вьфавнивани  по

25

30

45

ционные светофильтры, механизм поворота турели жестко св зан с механизмом развертки спектра и поворачивает турель, ввод  фильтры, область пропускани  которых соответствует области сканируемого спектра; набор 4 нейт-50 спектру сигнала сравнивани  в зависи- ральных ослабителей - турель, в гнез- мости от необходимости увеличени  или да которой установлено 13 нейтральных уменьшени  его дл  введени  в зону ослабителей, значение спектральных ко- допустимых значений, что способствует эффициентов пропускани  которьк сое- улучшению отношени  сигнал - шум; уве- тавл ет 0,012; 0,025; 0,05; 0,1: 0,2; 55 личить диапазон допустимых значений

0,4; 0,8; 1,5; 3,0; 6,0; 12,0; 25,0; 50,0%, при этом одно 14-е гнездо турели  вл етс  пустым отверстием и соотизменени  потока излучени , которые не вывод т сигнал сравнени  за пределы линейного участка характеристики

приемно-уснлнтельного блока за счет достижени  большего по сравнению с фотометрическим клином диапазона изменени  коэффициентов пропускани  набора нейтральных ослабителей, введени  регулируемого коэффициента усилени  усилител , введени  зоны допустимых значений сигнала сравнени , соответствующих линейному участку характ ристики приемно-усилительного блока.

Все эти свойства позвол ют достигнуть цель изобретени  - повышение тоности фотометрических измерений.

Claims (1)

1. Предлагаемый спектрофотометр за счет непосредственной стабилизации сигнала в канале сравнени , учитывающей временные изменени  характеристик монохроматора, источников и приемников излучени , введение образцов в канал сравнени  при дифференциальных измерени х и т.д., позвол ет га- рантированно обеспечить измерени  в пределах линейной части амплитудной характеристики приемно-регистрирующей системы и тем самым уменьшить погрешность фотометрической шкалы до О, 1 %, а также, использу  дифференциональ- ный метод, расширить диапазон измерений в область малых значений коэффи- циентов пропускани  без ухудшени  отношени  сигнал - шум, Формула изобретени 

   Спектрофотометр, содержащий оптически св занные источник излучени , монохроматор с механизмом сканирова- ни , светоделитель дл  направлени  потока излучени  попеременно в канал сравнени  и в рабочий канал, компенсационный узел с сервоприводом, при- емно-усилительный блок, содержащий фотоприемкик, усилитель и синхронный переключатель, а также устройство обработки данных, устройство индикации. Источник опорного напр жени  и схему сравнени , отличающийс  тем, что, с целью повьшени  точности фотометрических измерений и расширени  динамического диапазона устройства , введены регул тор усилени , датчик нейтральных ослабителей, механи- чески св занный с компенсационным узлом , перва , втора  и треть  схемы И и набор селективных светофильтров, размещенный между монохроматором и светоделителем и механически св зан- ный с механизмом сканировани  монохроматора , при этом компенсационный узел выполнен в виде набора нейтральных

   0

   5 п 5

   0

   5

   ослабителей, регул тор усилени  включает генератор импульсов, две  чейки И, вторые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, первые входы  вл ютс  соответственно первым и вторым входами регул тора усилени , реверсивный счетчик, входы которого соединены с выходами  чеек И, и ци- фроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, источник опорного напр жени  имеет два выхода, схема сравнени  состоит из двух компараторов , причем инвертирующий вход первого компаратора подключен к первому выходу источника опорных напр жений, неинвертирующий вход второго компаратора подключен к второму выходу источника опорных напр жений, некнвер- тирую1ций вход первого компаратора и инвертирующий вход второго компаратора - к первому выходу синхронного переключател , выход второго компаратора соединен с первым входом первой схемы И и вторым входом сервопривода, выход первого компаратора соединен с первым входом регул тора усилени  и с вторым входом второй схемы И, выход первой схемы И соединен с вторым входом регул тора усилени , первый вход второй схемы И соединен с выходом переполнени  реверсивного счетчика , выход второй схемы И подключен к первому входу сервопривода и второму входу третьей схемы И, первый вход которой соединен с вторым выходом датчика нейтральных ослабителей , а выход - с третьим входом устройства индикации, первый выход датчика нейтральных ослабителей соединен с вторым входом первой схемы И, нулевой выход реверсивного счетчика соединен с вторым входом устройства индикации , первый вход которого подключен к выходу устройства обработки данных, первый и второй входы устройства обработки данных соединены соответственно с первым и вторым выходами синхронного переключател , первый и второй входы синхронного переключател  соединены с вькодом усилител  и первым входом цифроаналогового преобразовател , выход которого через резистор соединен с входом усилител  и выходом фотоприемника, а третий и четвертый входы синхронного переключател  соединены с вторым и первым выходами светоделител .

   Фиг.г