Фотометр

СОЮЗ СОВЕТСНИХаО,ИВЛНшаепякРЕСПУБЛИК а 01 .7 1/4 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) 1. Авторское свидетельство СССРВ 827983, кл. 6 01 Ю 1/44, 1979.2, Авторское свидетельство СССРпо заявке М 2984995/18-25,кл. С 01 Л 1/44, 1980 (прототип),(54)(57) ФОТОИЕТР содержащий источник света, по ходу излучениякоторого последовательно расположены светоделительное устройство,измерительный и эталонный оптические каналы, модулятор с блоком управления и фотопреобразователь,компаратор, выход которого соеди,.ЯО 078258 А нен с входом первого импульсного ключа, через который генератор импульсов соединен с преобразователем импульсов в напряжение, синхрониэирующий вход которого подключен к блоку управления, а выход - к входу компаратора, второй и третий импульсные ключи, управляющие входы которых соединены с блоком управления, а выходы - соответственно с интег раторами, которые подключены к соответствующим входам делительного устройства, соединенного синхронизирующим входом с блоком управления, а выходом - с регистратором, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности иэмерений, выход фотопреобразователя подключен к второму входу компаратора, а выход первого импульсного ключа соединен с входами второго и третьего импульсных ключей.50 где Р - сопротивление верхнего плеча делителя напряжения вэтот момент;- сопротивление нижнего пле 2ча, которое должно устано виться, чтобы обеспечивалось указанное равенство. Равенство (1) показывает, чтосопротивление нижнего плеча делителя напряжения пропорционально по стоянной составляющей фотопреобразователя. В действительности при измерениях сопротивление нижнего плеча делителя напряжения вследствиеступенчатости, процесса измерений 65 устанавливается большим на величиИзобретение относится к приборостроению, а именно к фотометрам,и может быть использовано в оптическ х спектроанализаторах, например,для определения химического состава веществ.Известен фотометр, содержащийисточник света, светоделительноеустройство, оптические каналы, модулятор с блоком управления, фотопреобразователь, синхронный коммутатор, блок преобразования и регистратор Г 13Однако фотометр имеет недостаточно высокую точность вследствиетого, что на результат измерений 15оказывает влияние изменение во времени коэффициентов передачи каналов синхронного коммутатора и смещения нуля элементов устройства.Наиболее близким к изобретению, является фотометр, содержащий источник света, по ходу излучениякоторого последовательно расположены светоделительное устройство,измерительный и эталонный оптические каналы, модулятор с блоком управления и фотопреобразователь,компаратор, выход которого соединенс входом первого импульсного ключа,через который генератор импульсов З 0соединен с преобразователем импульсов в напряжение, синхронизирующий вход которого подключен к блоку управления, а выход - к входукомпаратора, второй и третий импульс-З 5ные ключи, управляющие входы которых соединены с блоком управления,а выходы - соответственно с интеграторами, которые подключены к соответствующим входам делительного 40устройства, соединенного синхронизирующим входом с блоком управления,а выходом - с регистратором 121.Недостатком известного устройства является низкая точность измере"ний при малых значениях постоянной 45составляющей фохоцреобразователя.Это связано с тем, что структураизвестного фотометра вызывает появление значительной погрешностипри малых значениях постоянной составляющей фотопреобразователя,обусловленной наличием ступенчатости, неизбежной при цифровом методе преобразования сигналов.В известном устройстве преобразование измеряемых сигналов осуществляется путем сравнения напряжения, снимаемого с нижнего плечаделителя напряжения, установленного на выходе фотопреобразователя, ссигналом, равным постоянной составляющей фотопреобраэователя, Приэтом сопротивление нижнего плечаделителя устанавливается пропорциональным постоянной, составляющей фотопреобразователя, а результат измерений определяется сопротивлени" ем верхнего плеча делителя напряжения, которое устанавливается по величине преобразуемого напряжения и сопротивлению нижнего плеча делителя напряжения. Поэтому появление погрешности в установлении сопротивления нижнего плеча делителя напряжения неизбежно ведет к появлению погрешности в установлении сопротивления верхнего плеча делителя напряжения, характеризующего результат измерений, при этом погрешность в установлении сопротивления верхнего плеча делителя напряжения в зависимости от величины постоянной составляющей фотопреобразователя возрастает в несколько разДля доказательства оценим величину составляющей погрешности измерений известным фотометром, которая обусловлена только ошибкой в установлении сопротивления нижнего плеча делителя напряжения вследствие ступенчатости процесса преобразования.На первом этапе измерений известным фотометром. на втором входе компаратора устанавливается напряжение, равное сумме 0 постоянной составляющей фотопреобразователя и О напряжения смещения компаратоСмра. При освещении фотопреобразователя световым сигналом, прошедшим через эталонный оптически канал, на вход делителя напряжения поступает сигнал, равный сумме постоянной составляющей От и напряжения О, пропорционального световому. потоку, прошедшему через эталонный оптический канал, при этом с учетом Ощ, смещения компаратора должно установиться равенство0+010 ну а г и станет равным+ й, при этомв зависимости от Ои О может изменяться от значения, блйэкого к нулю, до значения, близкого к величине сопротивления ступени нижнего разряда делителя напряже ния. ПоэтОму, кс-.а на фотопреобраэователь поступает световой сигнал, прошедший через измерительный оптический канал, и на вход делителя напряжения поступает сигнал, равный сумме постоянной составляющей От и напряжения О, пропорционального световому потоку, прошедшему через измерительный канал, сигнал, поступающий на компаратор, бу дет сниматься с нижнего плеча делителя напряжения, сопротивление которого равно 2 +йг, при этом сопротивление верхнего плеча делителя, характеризующее результат измерений, будет изменяться до тех пор, пока ненаступит равенствоО +О(г)Из равенств (1) и (2) получим1значение , характеризующее результат измерений, которое равно1Учитывая, что значениесопротивления верхнего плеча при отсут ствии ошибки от ступенчатости равно О. -абсолютная ошибка в установлении 40 сопротивления верхнего плеча делителя напряжения вследствие наличияопределяется величинойь=- г: -- К2 2о451относительное значение которой равнодо= - о 05 = - о 001 . (4)г 0 го2Иэ равенств (3) и (4) следует, что с уменьшением величины сопротивления нижнего плеча делителя напряжения ошибка измерений увеличивается, а так как сопротивлениенижнего плеча устанавливается 552пропорциональным пс)стоянной составляющей фотопреобразователя, то ошибка измерений известным устройствомзависит от величины постоянной составляющей фотопреобраэователя. При 60 этом, когда постоянная составляющая выходного сигнала фотопреобра,зователя имеет небольшую величину, а следовательно на основании равенства (1) и г имеет небольшую ве личину, ошибка измерений становитсязначительной. Увеличить точностьизмерений при малых значениях постоянной составляющей фотопреобразователя можно путем уменьшения величины сопротивления ступени делителя напряжения. Однако вследствие наличия разброса номинальных значений сопротивлений резисторов, используемых в делителе напряжения,нижнее значение сопротивления ступени, которое может быть установлено, всегда ограничено.Цель изобретения - повышение точности измерений,Поставленная цель достигаетсятем, что в фатометре, содержащемисточник света, по ходу излучениякоторого последовательно расположены светоделительное устройство измерительный и эталонный оптическиеканалы, модулятор с блоком управления и фотопреобразователь, компаратор, выход которого соединен с, входом первого импульсного ключа, черезкоторый генератор импульсов соединен с преобразователем импульсов внапряжение, синхрониэирующий входкоторого подключен к блоку управления, а выход - к входу компаратора, второй и третий импульсные ключи,управляющие входы которых соединеныс блоком управления, а выходы - соответственно с интеграторами, которые подключены к соответствующимвходам делительного устройства, соединенного синхронизирующим входомс блоком управления, а выходом - срегистратором, выход фотопреобраэователя подключен к второму входукомпаратора, а выход первого импульсного ключа соединен с входамивторого и третьего импульсных ключей.На чертеже показана структурнаясхема фотометра. фотометр содержит источник 1 света, светоделительное устройство 2, оптические каналы 3 и 4, фото" преобразователь 5, модулятор б.Выход фотопреобразователя 5 подключен на второй вход компаратора 7, первый вход которого подключен к выходу преобразователя 8 импульсов в напряжение. Выход компаратора 7 подключен к управляющему входу импульсного ключа 9, вход кбторого соединен с генератором 10 импульсов, а выход - с входом преобразователя 8 и входами импульсных ключей 11 и 12, выходы которых подключены соответственно к интеграторам 13 и 14. Выходы интеграторов 13 и 14 соединены с делительным устройст" вом 15, к выходу которого подключен регистратор 16. Блок 17 управления соединен с модулятором б, 1078258с синхронизирующим входом преобра-зователя 8 импульсов в напряжение, с управляющими ьходами ключей 11 р 12 и с управляющим входом дели- тельного устройства 15.Устройство работает следующим 5 образом.Световой поток источника 1 светоделительным устройством 2 делится на два луча, один из которых про. ходит через измерительный оптичес кий канал 3, в котором взаимодействует с анализируемой пробой, и попадает на фотопреобразователь 5, второй проходит эталонный оптический канал 4, в котором взаимодейст вует с эталонной пробой, и также попадает на фотопреобразователь 5. Световые потоки каждого луча модулируются модулятором б таким образом, что они попадают на фотопре образователь 5 в разные промежутки времени и, кроме того, между ними имеются промежутки, в которые свет от источника 1 не попадает на фотодреобразователь 5. 25СигнаЛы, полученные в моменты освещения фотопрсобразователя 5, кроме составляющих, вызванных световыми потоками, имеют постоянную составляющую, обусловленную темновым током фотоприемника и смещением нуля усилителя, а в момент отсутствия световых потоков имеют только указ нную постоянную составляющую. С выхода .фотопреобразователя 5 сигналы поступают на второй вход компаратора 7. Измерение начинается в момент,когда фотопреобразователь 5 не освещен световыми потоками. В этомслучае на второй вход компаратора 7поступает электрический сигнал От,равный постоянной составляющей,величина которой определяется темновым током и смещением нуля фотопреобраэователя, а на первый входкомператора 7-паахупает сигнал О,равный нулю. Кроме того, Компаратор обычно имеет смещение нуля, которое можно считать как величину О ,приложенную к одному из входов компаратора 7, например к входу, накоторый подается сигнал с выхода фотопреобразователя 5.Поэтому на второй вход компаратора 7 в этот момент поступает сигнал, равный О +Н55Так как сигнал О +О, поступающийна второй вход компаратора 7, больше сигнала Ок=О, поступающего наего первый вход, то с выхода компаратора 7 на управляющий вход импульс ного ключа 9 поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов с генератора 10 импульсов в преобразователь 8 импульсов в напряжение.Одновременно с етим с блока 17 уп равления на управляющие входы импульсных ключей 11 и 12 поступаютсигналы, запрещающие прохождение импульсов в интеграторы 13 и 14. В этотмомент начинают проходить импульсыс генератора 10 импульсов через импульсный ключ 9 только в преобразователь 8 импульсов в напряжение. Впреобразователе 8 начинает увеличиваться число импульсов, а следовательно, с приходом каждого очередного импульса увеличивается напряжение на его выходе на величину, равную Цо . Импульсы с генератора 10импульсов через импульсный ключ 9поступают в преобразователь 8 дотех пор, пока напряжение на выходепреобразователя 8, поступающее напервый вход компаратора 7, не станет близким по величине к напряжениюОт+О , поступающему на его второйвход, т.е.О+О =и О =О(5)где п - число импульсов, поступающих в преобразователь 8,когда на фотопреобразователь 5 световые потоки непопадают, при поступлениикоторых напряжение на выходе преобразователя 8 становится равным О.В момент наступления равенства(5) с компаратора 7. на управляющийвход импульсного ключа 9 поступаетсигнал запрета и прохождение импульсов с генератора 10 импульсовв преобразователь 8 прекращается, Сэтого момента на первый вход компаратора 7 поступает сигнал, равный Ок.В следующий момент на фотопре"образователь 5 поступает световойсигнал, прошедший через оптическийканал 3 анализируемого образца, Одновременно с этим с блока,17 управления на управляющий вход импульсного ключа 11 поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов через этот ключ. С выхода фотопреобразователя в этом случае поступает сигнал, равный сумме постоянной составляющей От и напряжения О, пропорционального световому потоку, прошедшему через оптический тракт 3 анализируемого образца, поэтому с учетом смещения О к второму входу компаратора 7 будет приложена сумма напряжений О 1+ От+ Осм Поскольку сигнал, поступающий на второй вход компаратора 7, больше сигнала О, поступающего на его первый вход, с выхода компаратора 7 на управляющий вход импульсного ключа 9 поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов с генератора 10 импульсов, а так как в это время разрешено прохождение импульсов и через импульсный ключ 11, то с генератора 10учетом смещения Ок второму входукомпаратора 7 будет приложена сумма напряжений О +О + ОТак какт смсигнал, поступающий на второй входкомпаратора 7, больше сигнала Ок юпоступающего на его перный вход свыхода компаратора 7, на управляющийвход импульсного ключа 9 поступаетсигнал, разрешающий прохождение импульсов с генератора 10 импульсов,Поскольку в это время разрешено про 10хождение импульсов и через импульсный ключ 12, то с генератора 10импульсов начнут поступать импульсычерез импульсный ключ 9 в преобразователь 8 и параллельно через импульсный ключ 9 и далее через импульсный ключ 12 в интегратор 14,С поступлением импульсов начнет воз.растать напряжение на выходе преобразователя 8, начальное значение 2 Окоторого равно О . Напряжение навыходе преобразователя 8, котороеприкладывается к первому входу компаратора 7, будет увеличиватьсядо тех пор, пока не приблизится по 25величине к напряжению, приложенному на второй вход компаратора 7,т.е. пока не наступит равенство30где о - число импульсон, поступаюцих в преобразователь 8,когда на Фотопреобразователь 5 попадает световойпоток, прошедший через канал 4 эталона.В момент наступления равенства(8) с компаратора 7 на управляю-,щий вход импульсного ключа 9 поступает, сигнал запрета и прохождение импульсов с генератора 10 импульсов через импульсный ключ 9прекращается, следовательно, прекращается поступление импульсов нпреобразователь 8 и в интегратор 14,есл при прохождении светового по 45тока через канал 4 в преобразователь 8 поступило пг импульсов, тои в интегратор 14 тоже поступит пгимпульсов. Так как учитывая уравнение (5) в равенстве (8) 5 ОО +О =О,тогда Ог = пгО 0смили Ог (9)ОоИз уравнения (9) следует, что число ог импульсов, которое накопилось в интеграторе 14, пропорционально сигналу Ог, соответствующему интенсивности светового потока,прошедшего через канал 4 эталона,и не зависит от темнового тока, 60смещения нуля фотопреобразователя 5и напряжения смещения компаратора 7.Таким образом, информация, накопленная в интеграторах 13 и 1.4,долчена н чистом виде без постоян ных составляющих отдельных элементов устройства.В момент прекрацения освещения фотопреобразователя 5 световым потоком, проходящим через канал эталона, с блока 17 управления поступают сигналы: на синхронизирующий вход преобразователя 8 импульсов в напряжение - о сбросе накопленной в нем информации, на управляющий вход импульсного ключа 12 - эапрецающий прохождение импульсов через этот ключ, на управляющий вход делительного устройства 15 - о выполнении операции деления. Делительное устройство 15 осуществляет операцию деления числа и импульсов, накопленных в интеграторе 13, и числа ог импульсов, накопленных в интеграторе 14, поэтому на регистратор 16 поступает результат, который с учетом уравнений (7) и (9) равени О О О- (10)пг Оо Оо О 2.Результат измерений может определяться за один период либо за определенное заданное число периодов. В последнем случае осуществляется накопление информации в интеграторах 13 и 14 за несколько периодов, а затем осуществляется операция деления.Из уравнения (10). видно, что величина С, характеризующая результат измерений, который Фиксируется цифровым регистратором 16, определяется отношением сигналов, пропорциональных световым потокам, прошедшим через каналы 3 и 4, и не зависит от коэффициента передачи отдельных элементов устройства, постоянной составляющей, обусловленной темноным током Фотоприемника и смещением нуля усилителя, и напряжения смещения компаратора.Предлагаемое устройство исключает зависимость погрешности результата измерений вследствие ступенчатости процесса преобразования сигналов от величины. постоянной составляющей фотопреобразователя. Это подтверждают результаты анализа погрешностей при измерении предлагаемым фотометром. Так, например, если каждый сигнал, равный О+ О +О и Ог+ О.+ Осм,преобразовывать в чйсла импульсов, пропорциональные суммам составляюцих этих сигналов, то в преобразователь 8 импульсов н напряжение должно поступить соответственно н,и и" импульсов, при этом на выходе преобразователя 8 устанавливаются напряжения, равные соответственно иОв и и"О , которые больше напряжений, поступающих на второй вход койпаратора, на величигд возникаюсигналовва (13)ределяемый ошибки от ступенчатост щие при преобразовании 01 ии.На основании равенс результат. измерений, о 0 Составитель А,Чурбаков Техред Я.Коцюбняк Редактор О.Юрковецка Корректор. Л.Пилипенкс За 934/34ВНИИПИ ГосУДпо делам113035, Москв Тираж 823 Парственного комитета СССРизобретений и открытий Ж-.35, Раушская наб., д, 4 дписно илиал ППП Патент 1, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ны соответственно дО ь н д О"ошибок от ступенчатости при преобразовании каждого сигнала, равного О +О+ О ио + О +и, поэтомут см г т смфможно записатьО +О +и:О -дО(,.(11)При поступлении на второй вход компаратора 7 сигнала, равного сумме постоянной составляющей фото- преобразователя 5 и напряжения сме,щения компаратора 7, в преобразователь импульсов в напряжение поступает и импульсов, при этом на выходе преобразователя 8 устанавливается напряжение, равное оооо, которое больше напряжения, поступающего на второй вход компаратора 7, на величину ди ошибки от ступенчатости при преобразовании сигнала, равного и +О м, поэтому От.ос:и, О,-дно ".,и,=от.ос +дио(1 ) Учитывая уравнения (11) и (12).,число импульсов, которое поступаетв Интегратор 13, равно ь 1=п в оо,а число импульсов, которое поступает в интегратор 14, равно пг ==и"-по, при этомО +О +О =(о+о )О -ди,Ог+От+Ор,Р(оо+пг)оо дооб О и +О =О о +до, О,-до,;1 т см т смОг+О О =О О мдоопгоо-дообг т см т сма. с помощью делительного устройства 11и фиксируемый регистратором 1 б,равен при этом, так как сигналы, отношение которых необходимо получить, представлены в виде чисел импульсов, то результат деления может быть получен с любой заданной точностью, а поэтому ошибкой дели- тельного устройства 15 можно пренебречь.В этом случае на основании уравнений (14) и (10) абсолютная ошибка от ступенчатости равнаи+до о о до-О доФ 1 2 1 1 2, (15)О 2+ди Ог Ог(ог дг) а относительная -Ог+ди 1-О дог и,у- - 100% = иг (О 2+дОг) 2Учитывая, что в уравнении (1 б)дог1 в в , уравнение можно записать вследующем виде 0 О О О 1(1 2 1 2Так как в уравнении (17) всегда О 1 йди 1 и игдог, то величины ди 1 " до"исами по себе имеют оченьО иг малое значение, а их разность тем более мала.Изобретение позволяет повысить точность измерений вследствие снижения ошибки от ступенчатости процесса преобразования, не зависящей от величины постоянной составляющей фотопреобразователя и ошибки ступенчатости при ее преобразовании.