Фотометр

(19) (И 1 3 1/44 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЛЬС А ВТОРСКОМУ С ическиина) водственлабораников идетельство СССЛ 1/44, 1978,тельство СССР1 3 1/44, 1981(56) В 62 Авторское11, кл. Сорское свид332, кл. С 10 1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫ(71) Ленинградский электротинститут им. В.И.Ульянова (Ли Ленинградское научно-проиное объединение медицинскойторной техники(57) Изобретение относится к электрическим схемам фотометров и можетбыть использовано для спектральных иколичественных фотометрических измерений малых световых потоковЦельизобретения - повышение точностж измерений пороговых сигналов. ФоФометрсодержит обтюратор 1, фотоприемник 2,измерительный усилитель 3, операционный усилитель 5, к инверсному входукоторого подсоединены два. объединенных общим выводом резистора 6 и 7 одного номинала, интегратор 9 с запоминающей обратной связью, образованныйинтегрирующим усилителем 10, ключом14выборки 11, буферным усилителем 12, резисторами 13, 14 и конденсаторами 15, 16, а также регистрирующее устройство 17. Ключи 4, 8, 11, 18, 19, 20 соединены через кинематические связи с обтюратором 1. В первой половине цикла модуляции обтюратор 1 пропускает световой поток, а на интегра 44622тор 9 поступает неинвертированный сигнал.,В интервале времени прерывания светового потока организованы два равных такта с взаимно обратными коэффициентами инвертирования входного сигнала интегратора 9. Этим обеспечивается более точная кбмпенсация аддитивных помех. 2 ил., 1 табл.Изобретение относится,к фотометриии может быть использовано для спектральных и энергетических измерениймалых световых потоков,Цель изобретения " повышение точности измерений пороговых сигналов.На фиг,1 приведена схема фотометра; на фиг,2 - диск обтюратора.фотометр содержит установленный 10за обтюратором 1 фотоприемник 2, подключенный через измерительный усилитель 3 к коммутирующему входу первогоключа 4, операционный усилитель 5,к инверсному входу которого подсоеди нены два объединенных общим выводомрезистора б и 7 одного номинала, авыход через второй ключ 8 соединен с входом интегратора 9 с запоминающей обратной связью, образованного интегрирующим усилителем 10, ключом 11 выборки, буферным усилителем 12, резисторами 13 и 14 и конденсаторами15 и 16.Выход интегратора 9 соединен с 25входом регистрирующего устройства 17.Управляющие входы второго ключа 8 иключа 11 выборки интегратора 9 черезпервую и вторую кинематические связисоединены с.обтюратором 1. 30 фотометр содержит также четвертый 18, пятый 19 и шестой 20 ключи, причем коммутирующий вход четвертого ключа 18 соединен с выходом измерительного усилителя 3, выходы первого 4 и четвертого 18 ключей подсоединены к выводам соответственно первого 6 и второго 7 резисторов и через соответственно пятый 19 и шестой 20 ключи к входу интегратора 9, а управля 40 ющие входы первого 4 и шестого 20, четвертого 18 и пятого 19 ключей попарно объединены и через третью и четвертую кинематические связи соединены с обтюратором 1. Обтюратор может быть выполнен электромеханическим с модулирующим диском (позицией 21 на фиг,2 обозначена щель для модуляции измеряемого светового потокаФщ ).Кинематические связи, обеспечивающие преобразование угла поворота обтюратора в управляющие сигналы для ключей, можно выполнить с помощью щелей и оптопар: щель 22 - для управления ключом 8, щель 23 - для управления ключами 4 и 20," щель 24 - для управления ключами 18 и 19; прорезь 25 - для управления ключом 11 выборки.Устройство работает следующим образом.Пусть в исходном состоянии обтюратор 1 прерывает измеряемый световой поток Ф , ключи 8, 18 и 19 замкнуты, а ключи 4, 11 и 20 разомкнуты. С выхода интегратора 9 на вход регистрирующего устройства 17 передается напряжение, хранящееся на конденсаторе 16.В интервале времени О, Т/2, где Т - период модуляции светового потока об-, тюратора 1, измеряемый световой поток У м поступает на фотоприемник 2. В этом интервале ключи 4, 18-20 замкнуты, а ключ 8 разомкнут управляющими сигналами от обтюратора 1 через соответствующие кинематические связи.Электрический сигнал с выхода фотоприемника 2, имеющий паразитную аддитивную составляющую в виде темнового тока, усиливается измерительным усилителем 3 и через замкнутые ключи 4, 18-20 поступает непосредственно на вход интегратора 9 с запоминающей об 3 14446 ратной связью. При этом аддитивная параэитная составляющая сигнала на входе интегратора 9 определяется темновым током фотоприемника 2, внешней5 наводкой на кабель между фотоприемником 2 и усилителем 3, а также смещением нуля собственно усилителя 3. Конденсатор 15 в обратной связи интегрирующего усилителя 10 заряжен под влиянием разности токов, обусловленных входным сигналом интегратора 9 (через резистор 13) и сигналом с конденсатора 16 (через буферный усилитель 12 и резистор 14),15В интервале времени Т/2; Т обтюратор 1 прерывает измеряемый световой поток ц . Ключи 4, 8, 18-20 управляются обтюратором 1 через соответствующие кинематические связи так, что в интервале времени Т/2; 34 Т ключи 4, 8 и 20 замкнуты, а ключи 18 и 19 разомкнуты, Напряжение с выхода измерительного усилителя 3 через 25 замкнутый ключ 4 и резистор 6 поступает на инверсный вход операционного усилителя 5.Напряжение с выхода операционного 30 усилителя 5 через замкнутый ключ 8 поступает на вход интегратора 9, а также через замкнутый ключ 20 и резистор 7 на инверсный вход операционного усилителя 5. Таким образом, опе рационный усилитель 5 совместно с резисторами 6 ина данном интервале 224Таким образом, операционный усилитель 5 совместно с резисторами 6 и 7 на данном интервале времени (3/4 Тф Т) обеспечивает инвертирование выходного напряжения измерительного усилителя 3. При этом резистор 7 включен между выходом измерительного усилителя 3 и входом операционного усилителя 5, а резистор 6 - между входом и выходом операционного усилителя 5,Выборка результатов интегрирования выполняется один раэ в периоде замыканием на время г.Т ключа 11 по управляющему сигналу от обтюратора 1 через кинематическую связь. При этом напряжение, хранящееся на конденсаторе 16, через буферный усилитель 12 передается на регистрирующее устройство 17, а также через резистор 14 на вход интегрирующего усилителя 10.В последующие периоды (КТ; (К+1) Т) модуляции обтюратором 1 светового потока Р ц процесс работы устройства повторяется. Здесь К = 1, 2, 3 Величина выходного напряжения, регистрируемого устройством 17, в установившемся режиме представляет собой среднее за период модуляции значение напряжения на входе интегратора 9 с запоминающей обратной связью.Состояния ключей, однозначно задаваемых обтюратором, по интервалам времени в течение периода модуляции Т приведены в таблице, где 3 обозначает замкнутое состояние ключа, а Р - разомкнутое.времени (Т/2; 3/4 Т) обеспечивает инвертирование выходного напряжения измерительного усилителя 3, При этом резистор 6 включен между восходом измерительного усилителя 3 и входом операционного усилителя 5, а резистор 7 - между входом и выходом операционного усилителя 5.В интервале времени 3/4 Т, Т ключи 8, 18 и 19 замкнуты, а ключи 4 и 20 разомкнуты под воздействием управляющих сигналов от обтюратора 1 через кинематические связи. Напряжение с выхода измерительного усилителя 3 через замкнутый ключ 18 и резистор поступает на инверсный вход операционного усилителя 5. Напряжение с выхода операционного усилителя 5 через замкнутый ключ 8 поступает на вход интегратора 9, а также через замкнутый ключ 19 и резистор 6 на инверсный вход операционного усилителя 5ГИнтервалы40 времени Состояние ключей4 8 18 19 20 0; Т/2 3 Р 3 3 345 Т/2; 3/4 Т 3 3 Р Р 3 3/4 Т; Т Р 3 3 3 Р При выполнении условия йс Т фаза замыкания ключа 11 на результат не влияет.В основу построения устройства положен принцип аналоговой компенсации 55влияния аддитивной помехи на результат измерения с двухтактным формированием интегрального компенсирующегосигнала на основе интегрируемого напряжения в темновой паузе в процессе.о2 Ру 1от 1 а2 ц,до ИФТ3. ЙТттй4 314 Гт"ДтЬ4 3о т тЗ 14 Т1 т 1 то 1 По314 Т и обозначив такжетй2о 1 сополучим К - . 1живых о + (1 + Л+Л ) (К 3., ПУ,). 5 14446 быстрого идентичного усреднения сигналов при чередовании в указанных равных тактах коэффициентов инвертирования в виде двух взаимно обратных величин, что достигается посредством коммутации входных и выходных цепей операционного усилителя на входе интегратора с запоминающей обратной связью, благодаря чему эквивалентный ко" 1 О эффициент инвертирования среднего значения сигнала в темновой паузе реализуется существенно более близким к единичному значению, чем коэффициенты инвертирования в каждом из так тов. В интервале времени О; Т/2 сигнал на выходе фотоприемника 2 , = д +с + дт где о - ток фотоприемника 2, 20 соответствующий измерительному световому потоку Р 3З.т - темновой ток фотоприемника 2. На входе интегратора 9 действует 25 напряжение У, К(.с +) + У 3, + У где К - коэффициент передачи измерительного усилителя 3; Пк - паразитная составляющая напряжения на выходе измерительного усилителя 3, определяе- ЗО мая внешней наводкой на кабель между фотоприемником 2 и усилителем 3; 0 о паразитная составляющая напряжения на выходе усилителя 3, определяемая Допуская, что в интервалах времениО; Т/2, Т/2; 3/4 Т, 3/4 Т; Т средние напряжением смещения нуля собственноусилителя 3.В интервале времени Т/2; Т сигнална выходе фотоприемника 23.Г.В интервале Т/2, 3/4 Т коэффициентпередачи операционного усилителя 5 срезисторами 6 и 7 во входной цепи ицепи обратной связи соответственноопределяется выражением ККо К 7 - значен сопротивленийрезисторов 6 и 7 соответственно.При этом напряжение на входе интегРатоРа 9 Б;, = Л,(К 3.т + У + 0 ).В интервале времени 3/4 Т, Т коэффициент передачи операционного усилителя 5 с резисторами 6 и 7 в цепи обратной связи и во входной цепи соответственно определяется подобно тому, как в интервале Т/2, 3/4 Т с учетом произведенной коммутации резисторов 6 и 7:д йКуВ интервале 3/4 Т; Т напряжение на входе интегратора 9 И = 3 (Кдт + + Ц+ По)Выходное напряжение интегратора 9, регистрируемое устройством 17, в установившемся режиме определяется вы- ражением значения т У О величин дти О не меняются, а именно1444 Таким образом, результат измерения в предлагаемом устройстве зависит от полусуммы реальных значений коэффициентов передачи 3, и 3 . Абсолютная величина погрешности измерения связана с отклонением указанной полусуммы от идельной величины (-1), аддитивно входит в результат измерения и составляет 101 ,1 + ,1 гЬ 0 =- (1+ - -)(Кд + Ц + Ц ),ЬЫ 2 т к о фСтатическая погрешность реального единичного инвертора практически зависит как от допуска резисторов цепей 15 прямой и обратной связи, так и от конечного значения коэффициента усиления операционного усилителяДостигнутый уровень микросхемо техники обеспечивает высокие значения коэффициентов усиления типовых операционных усилителей, В то же время резисторы широкого применения не удовлетворяют условию метрологической совместимости при работе с типовыми операционными усилителями. Так, опе" рационный усилитель обычно вносит в схему единичного инвертора погрешность, оцениваемую тысячными долями 30 процента, а погрешность, вносимая резисторами широкого применения, может гарантироваться в пределах десятых долей и единиц процентов. Обеспечение меньшей гарантированной погрешности, вносимой резисторами, путем улучшения их метрологических характеристик связано с существенными потерями в технологичности, надежности, стоимости, общедоступности и ухудшает ряд ао других показателей, например, весо" габаритные, климатические и т.п. 2 ЬК= -(1+ --- )К - ДК 1 Г 1 Г ГК КД У = - 1 + (1 - 2 в в в ) - (1 + 2 - (Кд + 0 + П )ьы 2 2 1 -ЬК 3 1 1 к( ) (К + П+ 1)о) первый, второй и тРетий электронключи, первый и второй резисторы одного номинала, интегратор с запоминающей обратной связью и регистрирующее устройство, при этом фотоприем- ник соединен с измерительным усилителем, выход которого через первый резистор соединен с инверсным входом операционного усилителя и паралллельно через первый электронный ключ с или, окончательно:формула изобретения фотометр, содержащий последовательно расположенные обтюратор и фотоприемник, а также измерительный усилитель, операционный усилитель,622 8Таким образом, в случае применения непрецизионных резисторов 6 и 7 статическая погрешность коэффициентов 3 3 практически полностью определяется допусками указанных резисторов.Выражения для единичного инвертора могут быть представлены в виде К+ ЬК Дкт - ДкйЛ, 7 (1 + ), К+ ДК, ДК 6 К+ ДК Дкд - Д К 13 д 1)К +ЬК К+ ДК где Ь К, ДК - абсолютные отклоненияот номинала К резисторов 6 и 7,Максимальные отклонения реальных коэффициентов передачи 3и 3 от идеального значения (-1) в случае од.нотипных резисторов 6 и 7 имеют место при максимальных по модулю и противоположных по знаку отклонениях значений сопротивлений резисторов от.номинала те при(ЬК 61 =ДкчЬ К и ДК, = -ДК,.В этом случае2 ДКд = -(1 ---- )К+ДК 1 ДВ.или с учетом 3 К = - где оо К - доКфпуск резисторов 6 и 73 К3 =-(1-2 --- )К э д: -(1+ 2 -- р-).3 Кй 1-ЬКПодставляя Л и Л в выражениедля Д 5 з ц, получаютСоставитель В.ВарнавскийРедактор А.Огар Техред А.Кравчук Корректор М.Васильева Заказ 6497/41 Тираж 499 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 91444 входом интегратора, включающего третий электронный ключ, первый контакт второго резистора соединен с инверсным входом операционного усилителя,5 выход которого через второй электронный ключ соединен с входом интегратора, выход которого соединен с регистрирующим устройством, при этом управляющие входы первого, второго и третьего электронных ключей через кинематические связи соединены с обтюратором, о т л и ч а ю щ и й с я. тем, что, с целью повышения точности измерений пороговых сигналов, в фотометр введены четвертый, пятый и шестой электронные ключи, причем четвертый б 22Оключ подсоединен первым контактом к измерительному усилителю, а вторым - к первому резистору, первый контакт пятого электронного ключа соединен с вторым контактом второго резистора, второй контакт пятого электронного ключа соединен с входом интегратора, второй контакт четвертого электронно" го ключа соединен с первым контактом шестого электронного ключа, второй контакт которого соединен с входом интегратора, а управляющие входы первого и шестого, четвертого и пятого электронных ключей попарно объединены и через дополнительные кинематические связи соединены с обтюратором.