Фотометр

О П И С А Н И Е1972341ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветсиикСоциалистическиеРеспттбпии(51)М, Кл. С 01 й 21/27 ЬвудэРстюФВ комитет СССР ав дамм изобретений(72) Авторы изобретения Е.П,Попечителев и Б.И.Чигирев: Ленинградский ордена Ленина злектрЬтеснический институт имени 8.И.Ульянова (Ленина)(51) ФОТОМЕТР Изобретение относится к Фотомет рии, а именно к Фотометрическим устройствам анализа веществ, и может быть использовано для построения фотометрических анализаторов.5Один иэ известных фотометров содержит источник излучения, кювету, фотоприемник и регистратор ( 1Недостатком известного устройствато является ограниченная точность.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является фото- метр, 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 кюветуоптически связан с фотоприемником21. Недостатком известного устройства является ограниченная точностьизмерений 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 квходу синхронизации генератора счет"ных импульсов, выход которого соединен с одним входом элемента И, выходкоторого соединен с цифровым регистратором, а другой вход соединен свыходом Фотореле, которое через эталонную кювету и оптический разделитель оптически связано с источником3 9723излучения, причем источник излучениячерез оптический разделитель и рабочую кювету оптически связан с фотоприемником, введены дифференциальныйусилитель и сумматор, выход которого 5соединен с входом устройства управления интенсивностью излучения, а один.вход соединен с выходом функциональ"ного генератора и одним входом дифФеренциального усилителя, другой вход 16которого соединен с фотоприемником,а выход - с другим входом сумматора.На чертеже представлена схема фотометра.Устройство содержит функциональный генератор 1, подключенный к одному входу дифференциального усилителя 2 и к одному входу сумматора 3другой вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя 2,а выход через устройство 4 управленияинтенсивностью излучения соединен систочником 5 излучения. Устройствотакже содержит оптический разделительб, кюветное отделение 7 с рабочей8 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 входкоторого соединен с генератором 13счетных импульсов, вход синхронизациикоторого соединен с выходом функцио 35нального генератора 1, выход элемента И 12 подключен к цифровому регистратору 14.Устройство работает следующим образом.еоПусть необходимо определить коэфФициент пропускания некоторого вещества. В кюветное отделение 7 устанавливаются кюветы 8 и 9 с рабочим (исследуемым) и эталонными веществами.45Пусть рабочая кювета 8 установленана пути потока, падающего на фотоприемник 10, тогда эталонная кювета 9должна быть установлена на пути потока, падающего на фотореле 11,50Выделим в структуре предлагаемогоФотометра с цифровым отсчетом дваконтура. Первый контур " отрицательной обратной связи (ООС) содержитФункциональный генератор 1, дифференциальный усилитель 2, сумматор3, устройство 4 управления интенсивностью излучения, источник 5 излу- ю 41 ачения, оптический разделитель 6, оптический 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 14Рассмотрим работу контура отрицательной обратной связи, Пусть на выходе Функционального генератора 1 Формируется, например, импульсное линейно-нарастающее напряжение Ип(1)ОгЮ=О, И где а=О /Т - крутизна линейно-нараМстающего напряжения;0 " - наибольшее напряжениеЬ 1в момент окончания импульса длительностью Т;с - текущее значение времени, в течение которого формируется очередной сигнал генератора 1 (ОТ),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(й) световой поток фо(т.) источника 5 излучения, пройдя оптический разделитель б, делится на два потока. Один иэ световых потоков Ф(й)=Кфо(й), где К,1 - коэффициент деленйя оптического разде - . лителя 6 для первого потока, поступает в кюветное отделение 7. Поток фо, пройдя через рабочую кювету 8 с коэффициентом оптического пропускания Чр, уменьшается до величины Срф(й) и падает на фотоприемник 10 с линейной энергетической характеристикой Фототока (например, фотодиод). Фотоприемник 10, имеющий чувствительность 5, преобразует падаоций на него. световой поток в электрический сигнал Оу (ф,):О,сри(С)=5 9723 =54,(1)2;Р, который поступает на первый вход дифференциального усилителя 2. Если в какой-то момент времени сигнал фотоприемника 10 отличается от напряжения функционально го генератора 1, то на выходе дифФеренциального усилителя 2 появля" ется 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 ф (с) приведет к появлению на выходе Фотоприемника 10 сигнала, равного в каждый момент времени С сигналу Функционального генератора 1, .Причем, чем боль ше коэффициет усиления дифференциального усилителя 2 (при работе в зоне устойчивости), тем меньше различие между сигналом Фотоприемника 10 и Ог поэтому можно записать 2 ф Ог(й)=Офп(с). Раскрывая значение О (й), получимфпО,= Ь СР К ф ,( г)Равенство сигналов сохраняется ЗФ независимо от коэффициента пропускания рабочей кюветы 8 Чем меньше ТР, тем больше в каждый момент времени будет световой поток источника 5 излучения, 35Таким образом, контур ООС стаби" лизирует световой поток фо 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 истоцником 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 ФормиИ рования сигнала функционального генератора 1.Рассмотрим работу измерительного контура, Оптическим разделителем 64 Формируется второй световой поток ф(С)=Кф (й) где К - коэффициент деления оптического разделителя 6 для второго потока, Этот поток пройдет через кюветное отделение 7 с эталонной кюветой 9, имеющей коэфФициент оптического пропусканияГ, и поступит на Фотореле 11 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 11 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 + (т), Число импульсов М, прошедших элемент И 12 и,поступивших на цифровой регистратор 14, будет пропорционально времении частоте Гс следования счетных импульсовсЧисло импульсов й пропорционально отношению Ср/эДля момента времени с справедливо отношение фп= ф (1) йли, раскрывая значение ф , получимфп-С Э К 2 Фо Ф(4)В выражение (4) подставим значение ф (с), найденное из (2) с учетом того р что Й ЙФп=КСрОК 1 Ю р ЮВыражение (1) подставим в (5) и перепишем полученную формулу относительно с: ,=К Грф /аКГрПодставив последнее выражение в (,3), получимЕЕДФП РТаким образом, число импульсов, зарегистрированное цифровым регистратором 14, прямо пропорциональ но отношению, коэффициента пропускания рабочей кюветы 8 к коэффициенту пропускания эталонной кюветы 9. Коэффициент пропорциональности Гс К Вфп/ /а К в выражении6 / является величий ной постоянной, поскольку все вхо31 8в неизменной и ограниченной областиэнергетической характеристики фото- тока. Фотореле имеет всего одну рабочую точку Ф на энергетической характеристике, что также уменьшает погрешность измерения по сравнению с известным устройством. формула изобретения дящие в него сомножители постоянны. Предварительной установкой значений Гс и а данный коэффициент легко сделать равным, например, тысяче (ста), тогда й, будет выражать ь / в десятых долях процента (процентах). Если, как это обычно принято-считать, ГР= Сов, гДе ; - коэффициент пРопУскания собственно исследуемого .объек" та, 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 ф(й), падающего на фотоприемник 10, а рабочей кюветы 8 на пути потока ф(с); падающего на Фотореле 11, на выходе фото- метра будет зарегистрирован цифровой 2 ф код, прямо пропорциональный Г /ГР (или 1 ЛО), причем коэффициент пропорциональности ГК 13(/а К из выражения ( 6 ) останется без изменения.Предлагаемый отометр позволяет получать на выходе цифровой код оптической плотности О исследуемого объекта (О=- 0 Со), для чего Функциональный генератор 1 должен формировать на выходе импульсный сигнал, 36 величина которого изменяется по за- кон У0,С)=О 40,(7) где Ь - постоянный коэффициент 3Изобретение позволяет повысить точность измерения за счет введения в его структуру контура отрицательной обратной связи, в который включен один из оптических каналов, При этом юв диапазон изменения светового потока, падающего на Фотоприемник оптического канала контура отрицательной обратной связи, остается всегда постоянным, т,е. Фотоприемник работает Фотометр, содержащий Функциональ.ный генератор, подключенный к входусинхронизации генератора счетных им.пульсов, выход которого соединен содним входом элемента И, выход которого соединен с цифровым регистратором, а другой вход соединен с выходом фотореле, которое через эталонную кювету и оптический разделительоптически связано с источником излучения, вход которого соединен с выходом устройства управления интенсивностью излучения, причем источник излучения через оптический разделительи рабочую кювету оптически связан сфотоприемником, 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 интенсивностьюизлучения, а один вход соединен свыходом Функционального генератораи одним входом дифференциального усилителя, другой вход которого соединен с фотоприемником, а выход - сдругим входом сумматора,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР1 Г 535469, кл, 6 01,3 1/чй, 1976.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Ю 3259551, кл, 0 01 М 21/27,з 505 32 Тираж 7 П ВНИИПИ Государственного комитета С по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раущская наб лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна