Спектрометр

СОЮЭ СОВЕТСНИХСООИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 9 СЭ 4 С О . 3/ ГОСУДАРСТВЕПО ДЕЛАМ ПИ е тво ССС Скоро зических 447-492,Эвам НОЙ НОМИТЕТ СССРОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(57) Изобретение относится к спектральному оптическому приборостроениюи предназначено для оптической диагностики быстропротекающих процессовпо параметрам контуров спектральныхлиний. Цель изобретения - повышениеточности измерения. Сущность изобретения в автоматической регулировкеамплитуды и среднего положения колебаний сканирующего зеркала монохроматора 1, соответствующих ширине ре"1437688 гистрируемого контура спектральнойлинии на заданном от максимума уровня и максимуму спектральной линиисоответственно, Это достигается введением блокФ 6 выделения максимумаспектральной линии, подключенного квыходу фотопреобраэователя, селектора 7 наличия линии, блока 8 коммутации сигналов управления амплитудой сканирования, блока 9. формирования сигнала управления амплитудойсканирования и устройства 10 управления сканированием, выходной сигналкоторого через усилитель 12 мощности подается на сканирующую системумонохроматора 1, При измерении спек 1Изобретение относится к спектральному оптическому приборостроению ипредназначено для оптической диагностики быстропротекающих процессовпо параметрам контуров спектральных 5линий,Цель изобретения - повышение точности измерения.На фиг,1 приведена схема спектрометра; на фиг.2 - 6-временные диаграммы его работы; на фиг.7 и 8 - истинный и измеренные контуры спектраль.ной линии.Спектрометр содержит монохроматор1, сканирующее устройство 2 с зеркалом 3 и электромагнитной системой 4,фотопреобразователь 5, блок 6 выделения максимума линии, селектор 7 наличия линии, блок 8,коммутации сигналов управления амплитудой сканирова.ния, блок. 9 формирования сигнала. управления амплитудой сканирования, устрой -.во 10 управления сканированием,генератор 11 и усилитель 12 мощности.25Блок 6 выделения максимума линиисодержит дифференциатор 13, компаратор 14 с.источником 15 опорного напряжения, компаратор 16 с источником17 опорного напряжения, компаратор18 с источником 19 опорного напряжения и логический элемент 3 ИЛИ-НЕ 20.Блок 7 наличия линии выполнен наинтеграторе 21 и компараторе 22 с источником 23 опорного напряжения,тральной линии цезия на длине волны682,4 нм к моменту времени Зс предложенное устройство обеспечивает погрешности определения величины максимума интенсивности 2% и определенияполуширины контура спектральной линии менее 1 , в то время как аналогичные погрешности известного устройства с неизменной настройкой параметров сканирования составляют 50и 54 . соответственно. В случае отсутствия спектральной линии в пределахсканируемого интервала амплитудасканирования в предложенном устройстве устанавливается максимальной,3 з.п. ф-лы, 8 ил,2Блок 8 коммутации сигналов управления амплитудой сканирования содержит логический элемент 24, ключ 25,источник 26 опорного напряжения, резисторы 27 и 28 и ключ 29,Блок 9 формирования сигнала управления амплитудой .сканирования содержит запоминающее устройство 30, делитель 31 напряжения, компаратор 32,интегратор 33, сумматор 34 и источник 35 опорного напряжения.Устройство 10 управления сканированием содержит интегрирующую цепь 36,аттенюатор 37, запоминающее устройство 38 и сумматор 39.На фиг.б и 7 обозначены: 40 - истинный контур спектральной линии;41 -контур спектральной линии, зарегистрированный предлагаемым устройством; 42 - контур спектральной линии,зарегистрированный известным устройством,Спектрометр обеспечивает выполнение своей функции, а именно автоматическую настройку на центр спектральной линии и выбор оптимального диапазона сканирования в два этапа. На первом этапе на сканирующее устройство2 подается постоянная составляющаянапряжения для совмещения серединысканируемого ийтервала с центром регистрируемой линии, а на втором этапеустанавливается величина амплитупы переменного напряжения, подаваемого напривод, для приведения ширины скани-руемого интервала длин волн в соответствие с шириной регистрируемой линии. Спектрометр работает следующим образом.При отсутствии спектральной линиина входе спектрометра на выходе блока 6 имеется постоянный уровень и селектор 7 не срабатывает, т.е. на первом входе блока 8 сигнал отсутствуети аналоговыи ключ 29 закрыт. Так какна входе инвертора 24 сигнала нет, тона его выходе действует высокий уровень выходного сигнала - "1", открывающая аналоговый ключ 25. При этомвыходное напряжение источника 26 через резистор 27 поступает на управляющий (первый) вход блока 1 О. Частота генератора 11 не зависит от наличия или отсутствия на входе спектральной линии, а постоянная времениинтегрирующей цепи 36 выбирается примерно на порядок больше времени развертки одного спектра, поэтому на выходе блока 10 устанавливается сигнал,определяющий наибольший диапазон развертки спектра в виде управляющегонапряжения на сканирующее устройство2, Электромагнитная система 4 приводит в колебательное движение зеркало 3 вокруг его вертикальной оси,т.е. осуществляется развертка спектра с аммплитудой, задаваемой источником 26,При появлении в контролируемомучастке спектра линии фотопреобразователь 5 с предварительным усилителем преобразует излучение, поступающее на его чувствительный элемент извыходной щели монохроматора 1 в электрический сигнал, пропорциональныйинтенсивности этого излучения,Блок 6 выделения максимума спектральной линии обеспечивает выработку нормированного по амплитуде и длительности Фронтов импульса, соответствующего центру регистрируемой линии. Входной сигнал фотопреобразователя 5 положительной полярности поступает на инвертирующий вход компаратора 18, на неинвертирующий вход которого подается опорное напряжениепорога срабатывания с источника 19,Этот же входной сигнал подается через дифференциатор 13 на инвертирующий вход компаратора 16, на неинвертирующсй вход ;оторого поступаетогорное напряжение псрога срабатывания с источника 17, а также на неин 5вертирующий вход компаратора 14 наинвертирующий вход которого поступает опорное напряжение порога срабатывания с. потенциометра 15, Выходные сигналы компараторов 14, 16 и8 поступают на входы логическогоэлемента 3 ИЛИ-НЕ 20, и при наличиилинии в спсктре излучения на выходеэтого элемента возникает импульс положительной полярности. Диаграмма15 работы блока 6 показана на фиг.2.Селектор 7 наличия линии вырабаты.вает сигнал управления при появлениина его входе импульса с выхода блока 6, при этом входной импульс заря 20 жает конденсатор подключенный к неинвертирующему входуинтегратора 21,выходной сигнал которого поступаетна неинвертирующий вход компаратора22, На инвертирующий вход компарато 25 ра 22 с источника 23 подается положительное напряжение порога срабатывания, Напряжение порога срабатывашя выбирается таким, чтобы при поступлении сигнала с выхода блока 6 навход селектора 7 наличия линии навыходе компаратора 22 поддерживалсявысокий уровень выходного сигнала втечение двух периодов сканирования(прямого и обратного спектров).Диаг"рамма работы селектора 7 приведена35на фиг,3,При поступлении с выхода блока 7напряжения высокого уровня вследствиепоявления в спектре линии на выходеинвертора 24 устанавливается напряжение "0" и аналоговый ключ 25 закрывается, а аналоговый ключ 29 открывается, и выходное напряжение бло,а 9 через резистор 28 подается щ45 первый управляющий вход блока 10. Одновременно с работой селектора 7 посигналу с блока 6 блок 9 Формирования сигнала управления амплитудойсканирования вырабатывает сигнал управления шириной сканируемого спектрального интервала: на управляющийвход входного аналогового ключа аналогового запоминающего устройства 30приходит импульс, синхронизированный по времени с моментом разверткина выходной щели монохроматора 1 центра линии, и максимальное значение сигнала спектральной линии запоминаетсяаналоговым запоминающим устройствомра диапазона сканирования на центолинии осуществляется путем запоминания аналоговым запоминающим устройством 38 мгновенного значения выходного напряжения генератора 11, прошедшего через аттенюатор 37 и второйвход сумматора 39, в момент прохождения центра линии и далее, подачи заполненной величины напряжения на первый вход сумматора 39, постояннаясоставляющая выходного напряжения которого через усилитель 12 мощностипоступает на сканирующее устройство,вызывая постоянное смещение подвижной части электромагнитной системы 4и соответственно зеркала 3 до совпадения центра диапазона сканированияс центром спектральной линии. Временные диаграммы работы блока 9, генератора 11 и устройства 10 приведенына фиг,4, 5 и 6, для двух вариантовсмещения на центр линии. Таким образом обеспечивается оперативная автоматическая коррекция границ сканируемого спектрального диапазона в соответствии с параметрами контура регистрируемой спектральной линии с од.новременной настройкой середины сканируемого интервала на центр линии,и то время как в известном устройстве границы сканируемого интервала устанавливаются оператором перед работой и,затем остаются неизменными,чтообеспечивает снижение динамической погрешности.На фиг,б и 7 приведены сравнительные данные работы предлагаемого и известного устройств при измерении спектральной линии цезия 1=682,4 нм полученные к моменту времени измерения =3 с,Полуширина укаэанной линии однозначно связана с концентрацией свободных электронов, Измеряя концентрацию свободных электронов независимым методом (микроволновым методом по сдвигу фазы электромагнитного излучения цианового лазера), с помощью фордЪ -2 10 Зе (1+АМ (1 ВИТ ) где ы,АВ - константы спектральнойлинииТ - температура пламени,была рассчитана фактическая величинаполуширины спектральной линии Сэ= 682,4 нм, В сравнении с этими значе 5 143768830, Выходное напряжение аналоговогозапоминающего устройства 30 поступает на делитель 31 и часть его (например, в данном устройстве 0,1 от максимального),попадает на иннертирующий вход компаратора 32. На неинвертирующий вход компаратора 32 поступает выходное напряжение фотопреобразонателя 5, и на выходе компаратора 32возникает импульсный сигнал нормированной амплитуды, причем скважностьимпульсов пропорциональна отношениюпериода сканирования к времени превышения сигналом фотоприемника задан Вного уровня (в данном. случае О,1 отмаксимальной амплитуды линии н спек-тре). Сигнал с выхода компаратора 32.через интегратор 33 поступает на вычитающий вход разностного сумматора34, на суммирующий вход которого подается напряжение с источника 35. Та.ким образом, при появлении линии выходное напряжение разностного сумматора 34 уменьшается пропорциональ" 25но отношению ширины интервала сканирования к ширине спектральной линии(например, по уровню 0,1).Если при отсутствии в спектре линии сканирующее устройство 2 осуществляет колебательные движения с максимальной амплитудой колебания, величина которой задается источником 26блока 8, выходное напряжение которого поступает на управляющий вход аттенюатора 37 и однозначно устанавлинает переменную составляющую выходного напряжения блока 10, то при появлении в спектре линии выходное напряжение блока 9 через блок 8 и ин Отегрирующую цепь 36 подается на управляющий вход управляемого аттенюатора 37, который, в свою очередь,уменьшает напряжение, подаваемое на.второй вход сумматора 39, пропорцио Внально величине сигнала с выхода блока 9 т,е. пропорционально отношениюширины линии на заданном уровне 0,1к ширине сканируемого интервала вданный момент времени. При этом диапазон сканиронания монохроматорауменьшается до требуемой величины,Устройство 10 управления сканированием выполняет функцию выработкисигнала управления, обеспечивающегоподстройку центра диапазона сканиронания на центр спектральной линии иустановление оптимальной ширины сканируемого интервала. Подстройка цент7 1437 с,киями полуширины были определены фа.; -тические погрешности предлагаемогои известного устройств во времени,Таким образом было получено, что к5моменту измерения 1=3 с погрешность определения величины максимальной интенсивности для гредлагаемого устройства менее 2%, а для известного 507,а погрешность определения полуширины 10контура, обусловленная динамическимиискажениями, для предлагаемого устройства составляет менее 17, и дляизвестного - 542,15Формула изобретения 1. Спектрометр, содержащий монохроматор со сканирующим устройством,состоящим иэ зеркала и электромагнитной системы, фотопреобраэаватель, генератор и усилитель мощности, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности измерения,в него дополнительно введены блок выделения максимума линии, селекторналичия линии, блок коммутации сиг-налов управления амплитудой сканирования, блок формирования сигнала управления амплитудой сканирования, 30устройство управления скаиированием,причем вход блока выделения максимума линии соединен с выходом фотопреобразователя, а выход - с входом селектора наличия линии, подключенноговыходом к первому входу блока коммутации сигналов управления амплитудойсканирования, второй вход которогоподключен к выходу блока формирования сигнала управления амплитудой ска нирования, информационный вход которого подключен к выходу фотопреобразователя, а управляющий вход - к выходу блока выделения максимума линии и второму управляющему входу устройства управления сканированиемпервый управляющий вход которого подключен к выходу блока коммутации сиг-налов управления амплитудой сканирования, информационный вход - к выходу генератора, а выход через усилитель мощности - к электрическомувходу устройства сканирования,2, Спектрометр по п,1 о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что в нем блоквыделения максимума линии содержитдифференциатор, первый компараторис".очпиком опо ного напряжения на инвертирующем входе, второй и третийкомпараторы с источником опорногонапряжения на неинвертирующем входе,логический элемент 3 ИЛИ-НЕ, причеминвертирующий вхсд третьего компаратора является входом блока и соединен с входом дифференциатора, выходкоторого соединен с неинвертирующимвходом первого компаратора и с инвертирующим входом второго компаратора, выходы компараторов соединены ссоответствующими входами логическогоэлемента 3 ИЛИ-НЕ, выход которого является выходом блока,3, Спектрометр по п.1, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что в нем блокформирования сигнала управления амплитудой сканирования содержит запоминающее устройство, делитель напряжения, компаратор, неинвертирующийинтегратор, раэностный сумматор иисточник опорного напряжения, причем управляющий вход запоминающегоустройства является управляющим входом блока, а выход через делитель напряжения соединен с инвертирующимвходом компаратора, неинвертирующийвход которого соединен с информационным входом запоминающего устройстваи является информационным входом блока, а выход через неинвертирующийинтегратор соединен с инвертирующимвходом раэностного сумматора, неинвертирующий вход которого соединен.с источником опорного напряжения, авыход является выходом блока4, Спектрометр по.п,1, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что в нем устройство управления сканированием содержит интегрирующую цепь, управляемый аттенюатор, запоминающее устройство и сумматор, причем вход интегрирующей цепи является первым входомустройства, а выход соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора, информационный вход которогоявляется информационным входом устройства, а выход соединен с вторымвходом сумматора, первый вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход является выходом устройства и соединен с информационным входом запоминающего устрой.ства, управляющий вход которого является вторым входом устройства, 1437688.Гусевчук Корректор М,Демчик едактор А.Лежни 4 Заказ 5882/4 одписно ВНИИПИ Государственно по делам изобретен13035, Москва, Ж, Ра/5 ская на Проектная, 4 твенно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород Произ ставител хред А.К комитета СССи открытии