Цифровой фотометр

(г ЕТЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственный институт(56) 1. Авторское свидетельство СССР Р 628411, кл. 6 01 У 1/44, 1978.2, Авторское свидетельство СССР Р 695932, кл. 6 01 Л 1/44, 1979 (прототип) .(54)(57) ЦИФРОВОЙ ФОТОМЕТР, содержащий излучатель, по ходу излучения которого установлены конденсатор, светофильтры, обтюратор, измерительная кювета, объектив и фотоприемник, подключенный к входу усилителя, генератор опорного напряжения и регистрирующийприбор, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения . точности измерений, в него введены непрозрачный диск с отверстиями, заслонка с механизмом перемещения, установленные перед обтюратором по ходу излучения, генератор высокой частоты, компаратор, два триггера, три схемы И, два счетчика импульсов, схема НЕ, три задатчика и два счетно-решающих блока, а обтюратор выпол нен в виде бесконечной ленты с окнами, причем форма отверстия непрозрачнога диска соответствует фигуре, образованной двумя полусинусоидами, выход усилителя подключен к первому входу компаратора, второй вход которого присоединен к шине нулевого уровня, а выход подключен к входу схемы ЙЕ и к счетному входу второго триггера, инверсный выход которого присоединен к третьему входу первого счетно-решающего блока и к второму входу третьей схемы И, первый вход которой подключен к выходу схемы НЕ, а выход присоединен к пятому входу второго счетно-рещающего блока и к обнуляющим входам счетчиков импульсов и первого триггера, счетный вход. которого подключен к выходу генера- Я тора опорного напряжения, а инверсный выход присоединен к третьему вхо ду схемы И, прямой выход второго триггера подключен к первым входам первой и второй схем И, вторые входы которых присоединены к генерато- й ру высокой частоты, а их выходы подключены к счетным входам первого и второго счетчиков импульсов соответственно, выходы последних присоединены к первому и второму входам первого счетно-решающего блока, выход которого подключен к первому входу второго счетно-решающего блока, второй, третий и четвертый входы которого присоединены к выходам первого, второго и третьего задатчиков соответственно, а выход подключен к регистрирующему прибору, 1081431Изобретение относится к устройст-нам, измеряющим коэффициент пропускания, и может быть применено дляавтоматического контроля смесей вещестн Фотоэлектрическим методом.. Известны устройства, осущестнляющие фазометрическое измерение оптического поглощения, которые содержат источник излучения, блок обтюратора, измерительную кювету, приемникизлучения, усилитель, генератор опорного напряжения, схему автоматической регулировки усиления (АРУ), синхронный детектор, вторичный прибор.Данные устройства измеряют напряжение, пропорциональное косинусу 15угла сдвига фаз результирующего сигнала и опорного напряжения с помощью синхронного детектора, причемамплитуду результирующего сигналастабилизируют схемой АРУ 1). 20Недостатком известных устройствявляется их сравнительно большаяпогрешность, одним из источников которой является наличие в результирующем сигналегармонических составляющих основной частоты, которье вносятпогрешности при синхронном детектировании. Другим источником погрешности являются ошибки регулированияпри работе схемы АРУ, применение которой. также не позволяет постигнутьвысокой надежности измерений.Наиболее близким техническим решением к изобретению является цифровой фотометр, содержащий излучатель,по ходу излучения которого установ- З 5лены конденсор, светофильтры, обтюратор, измерительная кювета, объектив и фотоприемник, подключенный квходу усилителя, генератор опорногонапряжения и регистрирующий прибор 2 40Недостатком известного устройстваявляется его сравнительно невысокаяточность измерений.Погрешности в измерении коэффициента поглощения вносят ошибки в уста новлении начального фазового сдвига,ошибки измерения фазы сигнала в процессе исследования вещества, погрешности стабилизации амплитуды схемой АРУ, нелинейность градуировочной характеристики, ошибку измерения напряжения вторичным прибором. Кроме того,присутствие н результирующем сигналегармоник основной частоты отрицательно сказывается на точности измеренияФазы результирующего сигнала с помощью синхронного детектора. Шкала известного устройства определяется не только величиной поглощения, но и фаэовым сдвигоммежду рабочим исравнительным потоками излучения, а 60 также отношением ш амплитуды рабочего потока беэ поглощения к амплитуде сравнительного потока. Нестабильность этих параметров также вносит погрешность в измерения. От" 65 ношение ш и фазовый сдвигвыступают в качестве параметров известного устройства. Измерение этих параУметров устройством не производится, поэтому его шкала без применения дополнительных устройств не определяется, что также является недостатком известного устройства.Цель изобретения - повышение точности измерений.Поставленная цель достигается тем,что в устройство, содержащее излучатель, по ходу излучения которогоустановлены конденсатор, светофильтры, обтюратор, измерительная кювета,объектив и фотоприемник, подключенный к нходу усилителя, генератор.опорного напряжения и регистрирующийприбор, введены непрозрачный дискс отверстиями, заслонка с механизмом перемещения, установленные перед обтюратором по ходу излучения,. генератор высокой частоты, компаратор,два триггера, три схемы И, два счет-.чика импульсов, схема НЕ, три задатчика, два счетно-решающих блока,а обтюратор выполнен в виде бесконечной ленты с окнами, причем формапросечки отверстия непрозрачногодиска соответствует фигуре, образованной двумя полусинусоидами, выходусилителя подключен к первому входукомпаратора, второй нход которогоприсоединен к шине нулевого уровня,а выход подключен к входу схемы НЕи к счетному входу второго триггера,инверсный выход которого присоединенк третьему входу первого счетно-решающего блока и к второму входу третьей сХемы И, первый вход которойподключен к выходу схемы НЕ, а выход присоединен к пятому входу въррогосчетно-решающего блока и к обнуляющим входам счетчиков импульсов ипервого триггера, счетный вход которого подключен к выходу генератораопорного напряжения, а инверсныйвыход присоединен к третьему входупервой схемы И, прямой выхрд второго триггера подключен к первым входампервой и второй схем И, вторые входы которых присоединены к генератору высокой частоты, а их выходы подключены к счетным входам первого и второго счетчиков импульсов соответственно, выходы последних присоедине,ны к перному и второму входам первого счетно-решающего блока, выход которого подключен к первому входу второго .счетно-решающего блока, второй,третий и четвертый входы которогоприсоединены к выходам первого, второго и третьего эадатчиков соответственно, а выход подключен к регистрирующему прибору,На фиг. 1 представлена блоксхема устройства; на Фиг2 - схема модулятора; на фиг. 3 - вектор1081431 510 15 20 30 35 40 45 50 55 60 65 ная диаграмма сигналов на выходе усилителя; на фиг. 4 - временные диаграммы потоков излучения; на фиг, 5 - временные диаграмьы, поясняющье работу электронной схемы.Устройство содержит излучатель 1,по ходу излучения которого установлены конденсатор 2, светофильтры 3 и 4, заслонка 5 с механизмом перемещения, непрозрачный диск 6 с отверстиями, обтюратор 7, измерительная кювета 8, объектив 9 и фотоэлемент 10. Устройство также содержит двигатель 11, приводящий в движение обтюратор, генератор 12 опорного напряжения, генератор 13 высокой частоты, компаратор 14, усилитель 15, первый.триггер 16, второй триггер 17, схема НЕ 18, первая схема И 19, вторая схема И 20, третья схема И 21 первый счетчик 22 импульсов, второй счетчик 23 импульсов, второй задатчик 24, первый задатчик 25, первый счетно- решающий блок 26,третий задатчик 27, второй счетно-решающий блок 28, регистрирующий прибор 29.На Фиг. 4 изображены эпюры напря-, жений 30 на выходе усилителя 31. - на выходе компаратора, 32 - на прямом выходе второго триггера, 33 - на его инверсном выходе, 34 - на выходе схемы НЕ, 35 - на выходе генератора опорного напряжения, 36 - на выходе третьей схемы И, 37 - на инверсном выходе первого триггера, 38 - на выходе генератора высокой частоты, 39 - на выходе первой схемы И, 40 - на выходе второй схемы И 1 на фиг. 5 представлены временныедиаграммы сравнительного и рабочего потоков излучения на входе и измерительные кюветы 41 и 42 соответственно,сравнительного на выходе измерительной кюветы 43, рабочего без поглощения на выходе кюветы 44, рабочего на выходе кюветы, заполненной исследуемым веществом 45, суммарного потока беэ поглощения рабочего 46, суммарного потока при условии, что рабочий прошел слой исследуемоговещества 47; Р Р г Р Рго РгРзо Р - амплитуды потоков; В - полувысота отверстия непрозрачного диска; А, Ао, Х, Аз А - векторы сравнительного, рабочего беэ поглощения рабочего в условиях поглощения, суммарного без поглощения, суммарного (результирующего) в условиях поглощения электрических сигналов на выходе усилителя, соответственно Чи г - Фазы этих сигналов, О д - вектор опорного напряжения. Фотоэлемент 10 подключен к усилителю 15, выход которого подключен к первому входу компаратора 14, второй вход которого присоединен к шине нулевого уровйя, а выход подклюФ 5чен к входу схемы НЕ 18 и к счетному входу второго триггера 17, инверсный выход которого присоединен к третьему входу первого счетно-решающего блока 26, и к второму входу третьей схемы И, первый вход которой подключен к выходу схемы НЕ 18, а выход присоединен к пятому входу вто рого счетно-решающего блока 28 и к обнуляющим входам счетчиков 22 и 23 импульсов,.и первого триггера 16, счетный вход которого подключен к выходу генератора 12 опорного напряжения, а инверсный выход присоединен к третьему входу первой схемы И 19,прямой выход второго триггера 17 подключен к первым входам первого 19 ивторой 20 схем И, вторые входы которых присоединены к генератору 13высокой частоты, а их выходы подключены к счетным входам первого 22 ивторого 23 счетчиков импульсов соответственно, выходы последних присоединены к первому и второму входам первого счетно-решающего блока 26,25.выход которого подключен к первому входу второго счетно-решающего блока28, второй, третий и четвертые входы которого присоединены к выходам первого 25, второго 24 и третьего 27 задатчиков соответственно, а выход подключен к регистрирующему прибору 29.Устройство работает следующим образом.Конденсор 2 направляет поток лучей, созданный излучателем 1, параллельным пучком через светофильтры 3 и 4 и отверстия диска 6 на обтюратор 7. Отверстие непрозрачного диска 6 симметрично относительно оси Х (Фиг, 2) . Форма просечки верхней половины отверстия описывается выражением У: Ьсоьз., Ширина отверстия равна ширине окна обтюратора. При движении обтюратора открытая (закрытая)площадь 8(х) отверстия зависит отперемещения Х окна в соответствии свыражением5 (Х=2 Ьсоз х Нх ы 285 п х+ С,где С - постоянная интегрирования.41 и 42 (фиг. 5) - временные диа-граммы погоков, модулированных .обтюратором по синусоидальному закону.Фазовый сдвиг между потоками определяется расстоянием между центрамиотверстий непрозрачного диска, Этидва модулированных по синусоидальному закону потока излучения проходятчерез измерительную кювету 8, причемамплитуда Р сравнительного потокапрактически не изменяется (41, 43),а амплитуда рабочего потока уменьшается, если в кювете происходит,погло.щение исследуемым веществом, илипрактически не изменяется, если в1081431 кювете происходит поглощение исследуемым веществом, или практическине изменяется, если в кювете 8 находится вещество, не поглощающееизлучение (42, 44, 45) . Отношение(О) 0=Рг /Рг выражает коэффициентпропускания вещества, находящегосяв кювете 8. Сравнительный и рабочийпоток излучения суммируются с помощью объектива 9 на фотокатоде фотоэлемента.10 (46 и 47), фотоэлементпреобразует суммарный поток излучения в пропорциональное ему электрическое напряжение, переменная составляющая которого усиливается усилителем 15. На выходе усилителя наблюдается переменное напряжение синусоидальной формы (30) - результирующийсигнал, амплйтуда которого (А или3А ) пропорциональна амплитуде (Рилй Рз, ) переменной составляющей3суммарного потока излучения. Результирующий сигнал можно представитьв виде суммы сравнительного сигнала,амплитуда которого (А,) пропорциональна амплитуде (Р) переменной составляющей сравнительного потока излучения и рабочего сигнала, амплитуда которого (Аг или Аго) пропорциональна амплитуде (Р йли Рго) переменной составляющей рабочего потока.фазы сигналов могут не совпадатьс фазами соответствующих потоков излучения, однако фазовые сдвиги между потоками равны Фазовым сдвигаммежду электрическими сигналами, поскольку все они являются синусоидальными функциями времени и подвергаются линейным преобразованиям фотоэлементом и усилителем. За началоотсчета фаз принята Фаза опорногонапряжения,Выразим коэфФициент .Р через амплитуды сигналов (Фиг. 3)А А А2 2Э = - =А - (го го А д" (зо)), козффункци-.г ф аметров от пропусДопустим, Фотометр включен в мо мент времени 1 (фиг, 4) и на прямомвыходе второго триггера устанавливается положительный потенциал, соответствующий логической 1, а наинверсном выходе первого триггера 45 нулевой потенциал, соответствующийлогическому 0. Вторая схема Иначинает пропускать импульсы 40 свыхода генератора 13 высокой частотына выход второго счетчика 23. В момент времени г первый триггер переключается сигналом (35) с выходагенератора 12, и на его инверсномвыходе (37) устанавливается 1.Первая схема И начинает пропускатьимпульсы (39) на вход первого счетчика 22. В момент времени С сигнал свыхода компаратора переключает второй триггер, на прямом выходе которого устанавливается 0 (32), запрещающий прохождение высокочастотных 60 импульсов через первую и вторую схемы И на входы счетчиков. Одновременно, на инверсном выходе второго триггера (33) устанавливается единичныйсигнал, передний Фронт которого за-65 пускает блок 26 и подготавливает Зап зп У+А 5 ПЧ 1 2 о сооУ .АгосоБ 20ткуда получим 4 ап(У -у ) м (- Р) 4, ь(у,-у )м известные соотношени Подставим выражения (4) и (5) в(1) и получим Как следует из формулы (6фициент пропускания являетсяей четырех фаз, причем фазыУо выступают в качестве парФотометра, а фаза 9 зависиткания.Фазы и коэффициент пропускснияопределяют с помощью электроннойсхемы, которая работает следующим.образом.В момент времени изменения знака величины мгновенного значениярезультирующего сигнала с отрицательного на положительный (30) навыходе компаратора 14 устанавливается сигнал, соответствующий логической 1 на время, равное половинепериода Т модуляции. (31). Передний 25 Фронт этого сигнала переключает второй триггер 17,на прямом и инверсном выходах которого формируютсясигналы 32 и 33. Генератор 12 опорного напряжения формирует один им пульс 35 за период Т длительностьюТ/2Передний фронт этого импульсапереключает первый триггер 16, наинверсном выходе которого наблюдаетая сигнал 37. Цепь инверсный выход 35 второго триггера - выход схемы НЕвыход третьей схемы И - обнуляющийвход первого тригГера предназначенадля согласования работы триггеров.третью схему И. Блок 26 вычисляетотношение числа импульсов, накопленного в первом счетчике, к числу импуль"ов, накопленному во втором счетчике, и умножает это отношение на2 П радиан, т.е. вычисляет фазу 5сигнала, поступающего на вход компаратора относительно фазы опорногонапряжения. В момент времени 1, навыходе третьей схемы И (36) появляется импульс, передний фронт которого 10обнуляет счетчики и запускает блок28На первый вход блока 28 поступает число с выхода блока 26, соответствующее фазерезультирующегосигнала, на его второй вход поступает число, установленное на первомзадатчике 25, соответствующее Фазесравнительного сигнала, на третий вход поступает число, установленное на втором задатчике 24, соответствующее фазе Ч рабОчего сигнала, на четвертый - число, установленное на третьем задатчике, соответствующее фазе У суммарного (результирующего) сигнала без поглощения.Блок 28 реализует следующий адгоритмга= (Ъ - 0) ) в 3 = ( - 1); а: = 510 а) В;=з( в; а:=ав; в:=(за Чс=(%" з) 1в:= з 1 п в; с:=з(пс; в:=вс; а:=а/в(где а, в,. с - идентификаторы переменных) . Таким образом, блок 28 производит вычисления по формуле (6) ипосылает число, соответствующее коэффициенту пропускания на вход регист-рирующего прибора 29. В приведенномпримере исходного состояния триггеров первое после включения фотометрапоказание регистрирующего прибора29 будет неверным, поскольку триггеры не были согласованы. В моментвремени 14 (Фиг. 4) на обнуляющий40вход первого триггера приходит сигнал с выхода третьей схемы И (36),который согласует дальнейшую работутриггеров. Тогда, в течение следующих измерительных периодов оба предварительно обнуленных счетчика начнут работу в момент времени изменения знака величины. мгновенного значения сигнала с отрицательного наположительный. Первый счетчик прекратит работу в момент времени появления переднего фронта опорного на-.пряжения, второй - через период Тпосле начала счета,Таким образом, в течение одного периода модуляции в первом счетчике накапливается число, пропорциональное промежутку времени Т(фиг. 4)между моментом времени пересечения нулевого уровня сигналом и моментом времени появления переднего фронта опорного напряжения, а во втором -число, пропорциональное периоду модуляции Т. В течение следующего периода работают счетно-решающие блоки, вычисляя фазу сигнала и коэффициент пропускания, В следующий период снова измеряются величины Г и Ти т,д.Настройка устройства с целью определения его параметров производится следующим образом.На .выхсд блока 26 устанавливаютрегистрирующий прибор и полностьюперекрывают рабочий поток излученияс помощью заслонки 5. В этом случаефотометр измеряет фазу сравнительного сигнала, которую считают с регистрирующего прибора и устанавливаютна первом задатчике, На втором задатчике устанавливают фазу рабочегосигнала аналогично, перекрывая сравнительный поток излучения. Фазу результирующего сигнала без поглощения измеряют и устанавливают на третьем задатчике аналогично при воздействии на фотоприемник суммарного потока излучения без поглощениярабочего потока, для чего в измерительную кювету 8 помещают предварительно вещество, не поглощающее излучения в интересующей облаети спектра.Изобретение позволяет повыситьточность измерений, так как необходимости устанавливать начальный фазовый сдвиг, равный 90 (например, с помощью механического перемещения датчика генератора опорного напряжения),поскольку коэффициент Р зависит неот самих фаз, а от их разностей. Следовательно, в. устройстве отсутствует ошибка установления начальногофазового сдвига (ошибка установкинуля) .Величина амплитуды результирующего сигнала не оказывает влияние наизмерения предлагаемым устройством,поэтому в его состав не входит схема АРУ, а следовательно, отсутствуетошибка,"вносимая в измерение коэффициента пропускания погрешностью ееработы,Таким образом, устройство измеряет поглощение (коэффициент пропускания) с большей точностью, посколькуоно свободно минимум от двух составляющих погрешности: ошибки установки нуля и ошибки стабилизации амплитуды схемой АРУ.Кроме того, определенность формысигналов на входе электронной схемы(синусоида) в устройстве позволяетс большей точностью определить зависимость коэффициента пропускания отфаз этих сигналов (формула 6).Эаказ ППП фПатент, г.ужгород, ул ктная,36/34 ВНИИПИ Госу по делам 113035, Мос ираротобра,823 Подпиенного комитета СССРтеннй и открытий